Расчетный пример
В этом примере мы рассчитаем локальные давления, осредненные давления и параметрические исследования для предварительного проектирования с использованием более точных методов, таких как нестационарный URANS.
Этот пример относится к Группе 2, согласно Рисунку 2.2 в WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Абсолютные значения со средними требованиями к точности. Область применения может включать параметрические или предварительные исследования, когда в дальнейшем планируются исследования с более высокой точностью (например, испытания в аэродинамической трубе класса G3).
- R2: Отдельное (изолированное) сооружение, все соответствующие направления ветра с достаточно мелким шагом по направлению.
- Z2: Статистические средние значения и стандартные отклонения, при условии, что они включают стационарные процессы обтекания, для которых достаточно статистической оценки флуктуаций с помощью пикового коэффициента.
- S1: Статические воздействия. Их достаточно для представления расчетной модели с необходимой механической детализацией, но без учета свойств массы и демпфирования.
Размеры примера показаны на Рисунке 1, а исходные предположения представлены в Таблице 1:
Таблица 1: Исходные данные для примера с 3D кубом
| Параметр | Обозначение | Значение | Единица измерения |
|---|---|---|---|
| Базовая скорость ветра | V | 10.13 | м/с |
| Высота крыши | h | 6 | м |
| Горизонтальный размер | α | 6 | м |
| Угол наклона крыши | θroof | 0 | Градусы |
| Плотность воздуха – RWIND | ρ | 1.25 | кг/м³ |
| Направления ветра | θwind | 0 | Градусы |
| Модель турбулентности – RWIND | RANS и URANS | - | - |
| Кинематическая вязкость (Уравнение 7:15, EN 1991-1-4) – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | м²/с |
| Порядок схемы – RWIND | Первый и Второй | - | - |
| Целевое значение невязки – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Тип невязки – RWIND | Давление | - | - |
| Минимальное количество итераций – RWIND | 800 | - | - |
| Граничный слой – RWIND | NL | 10 | - |
| Тип функции стены – RWIND | Стандартный | - | - |
Анализ чувствительности
Для данного примера анализ чувствительности представлен на Рисунке 2. Результаты для общей силы лобового сопротивления исследуются для четырех различных плотностей сетки. Сеточная независимость достигается на 1,6 миллионах ячеек (Сетка #4).
WTG-Merkblatt M3 предлагает два ключевых метода для валидации результатов моделирования. Метод Hit Rate оценивает, сколько из смоделированных значений Pi правильно совпадают с эталонными значениями Oi в пределах заданного допуска, используя подход бинарной классификации (попадание или промах). Этот подход оценивает надежность моделирования путем расчета показателя попаданий q, аналогично функциям надежности, используемым в теории надежности. Напротив, метод Нормализованной среднеквадратичной ошибки (e2) предлагает более детальную оценку точности путем количественной оценки среднего квадратичного отклонения между смоделированными и эталонными значениями, нормированного для учета различий в масштабе. Вместе эти методы обеспечивают как качественные, так и количественные показатели для валидации моделирования.
Результаты
Диаграмма на Рисунке 3 представляет распределение среднего и пикового коэффициента давления (Cp) вдоль заданного участка на сооружении, сравнивая экспериментальные результаты с численным моделированием с использованием различных вычислительных моделей. Экспериментальные данные включают измерения из полевого исследования Silsoe F-S и испытаний в аэродинамической трубе (WT), в то время как моделирование проводится с использованием моделей RWIND RANS и RWIND URANS. Модель URANS дополнительно разделена на средние и пиковые значения для всестороннего анализа поведения аэродинамического давления.
Сравнение на Рисунке 4 направлено на оценку точности имитационных моделей RWIND при воспроизведении экспериментальных результатов. Представлены ключевые статистические показатели, такие как Коэффициент корреляции (R) и Коэффициент детерминации (R²), для количественной оценки согласия между смоделированными и экспериментальными данными, предлагая понимание надежности этих моделей для аэродинамического анализа. Диагональная эталонная линия представляет идеальное совпадение между результатами моделирования и экспериментальными данными, а близость точек данных к этой линии отражает точность каждой модели. Разница между RWIND и Еврокодом составляет приблизительно Wrel,RANS = 11,54% и Wrel,URANS = 21,46%; затем показатель попаданий может быть получен как qRANS=59% и qURANS,10%=30% и qURANS,20%=63%. Нормализованная среднеквадратичная ошибка рассчитана соответственно: e2RANS=0,02 и e2URANS=0,04.
Модель доступна для бесплатного скачивания здесь:
