Введение
По мере развития вычислительных методов вычислительная гидродинамика (CFD) становится многообещающей альтернативой или дополнением к испытаниям в аэродинамической трубе в области строительной аэродинамики. Однако для того, чтобы CFD получила широкое признание среди инженеров, властей и рецензентов, ее надежность должна быть обеспечена через строгие процедуры верификации и калибровки. В этой статье описываются ключевые шаги и принципы, лежащие в основе этих процессов.
Согласно Разделу 1.5 EN 1991-1-4, численные симуляции могут использоваться в качестве дополнения к расчетам и физическим испытаниям в аэродинамической трубе, если они доказаны и/или должным образом подтверждены. Это позволяет инженерам получать надежную информацию о нагрузке и реакции, используя точные модели как конструкции, так и природной ветровой среды. Аналогично, ASCE 7-22, ссылаясь на ASCE 49, признает, что хотя CFD все чаще применяется в строительной аэродинамике, его использование должно тщательно контролироваться. Поскольку в настоящее время нет специального стандарта, подробно описывающего полные процедуры CFD в этом контексте, ASCE подчеркивает, что любое применение CFD для определения ветровых нагрузок на Основную Систему Сопротивления Ветряной Силе (MWFRS), Компоненты и Обшивку (C&C) или другие конструкции должно пройти рецензирование и исследование Верификации и Валидации (V&V), чтобы обеспечить точность и надежность результатов.
1. Зачем необходимы Верификация и Калибровка
CFD-симуляции очень чувствительны к множеству факторов, включая:
- Модели турбулентности
- Условия на входных границах
- Качество и разрешение сетки
- Настройки решателя и численные схемы
Без надлежащей верификации и калибровки результаты CFD могут казаться визуально убедительными, но могут быть вводящими в заблуждение или несконсервативными в реальных структурных приложениях. Как EN 1991-1-4, так и ASCE 7-22 признают потенциал численных методов, таких как CFD, для определения ветровых нагрузок, при условии, что эти методы должным образом подтверждены и верифицированы.
2. Верификация vs. Валидация vs. Калибровка: Определения
Важно различать эти термины, которые часто используются вместо друг друга:
- Верификация обеспечивает, что CFD-модель правильно решает уравнения (т.е. код и численная настройка не содержат ошибок).
- Валидация оценивает, насколько точно модель представляет физическое поведение реальной системы (обычно через сравнение с данными ветряной трубы или полноветровых испытаний).
- Калибровка включает корректировку параметров модели для согласования результатов CFD с известными или измеренными данными.
3. Процедура Верификации
Верификация включает проверку того, что:
- Сетка достаточно детализирована (исследование чувствительности сетки)
- Временной шаг и численная схема подходят
- Граничные условия правильно реализованы
- Решатель стабильно сходится
Это включает:
- Анализ индекса сходимости сетки (GCI)
- Мониторинг остаточных и проверки стабильности временных усреднений
- Сравнение кодов (бенчмаркинг с доверенными решателями)
4. Валидация с Экспериментальными Данных и Стандартами
Самый критичный аспект принятия CFD — это валидация с физическими тестовыми результатами, такими как:
- Измерения в аэродинамической трубе
- Полномасштабный полевой мониторинг (например, датчики давления, анемометры)
Ключевые шаги включают:
- Воспроизведение тестовой установки: Геометрия, шероховатость местности и турбулентность на входе должны соответствовать эксперименту.
- Сравнение интересующих величин: Средние и пиковые коэффициенты давления, коэффициенты силы/момента или характеристики поля потока.
- Статистический анализ: Использование среднеквадратичной ошибки, коэффициентов корреляции или нормализованных метрик отклонения, таких как:
Валидация должна быть специфичной для конструкции, особенно для типичных и необычных геометрий, таких как:
- Примеры антенн в сотрудничестве с Университетом Аахена
- Основанные на типичных формах, определенных в стандартах проектирования (EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7, NBC 2020) и экспериментальных исследованиях (TPU, AIJ)
5. Стратегия Калибровки
Если после валидации существуют небольшие отклонения, калибровка может быть выполнена путем корректировки:
- Интенсивности и длины шкалы турбулентности на входе
- Констант модели турбулентности (с осторожностью)
- Шероховатости поверхности и функций стены
Однако чрезмерная калибровка должна быть предотвращена, так как она может привести к модели, которая настроена для одного случая, но ненадежна в других.
6. Документация и Прослеживаемость
Для того чтобы результаты CFD были приняты строительными властями или сертифицирующими инженерами, процесс должен быть:
- Прозрачным: Все входные параметры, настройки решателя и допущения задокументированы
- Повторяемым: Другие эксперты должны иметь возможность воспроизвести результаты
- Прослеживаемым: Случаи валидации должны быть связаны с опубликованными бенчмарками или экспериментальными ссылками
7. Интеграция в Рабочий Процесс Проектирования
В конце концов, чтобы CFD было принято в процессе определения структурных нагрузок:
- Выходные данные CFD (например, распределения давления) должны быть переданы в программное обеспечение FEM (например, RFEM)
- Комбинации нагрузок должны следовать сочетаниям по LRFD или EN
- Данные по давлению должны представлять статистически допустимые ветровые действия (например, 50-летний период возвращения)
Заключение
CFD имеет большое будущее в области строительной аэродинамики, предлагая экономически эффективные, гибкие и детализированные меры по изучению аэродинамического поведения. Однако его принятие полностью зависит от дисциплинированной верификации, надежной валидации и тщательной калибровки. При систематическом выполнении CFD может стать надежным компонентом подхода «дизайн с использованием анализа», поддерживаемого стандартами и передовыми методами проектирования.