Пользовательская история
В этом примере мы будем вычислять средний коэффициент силы и момента для Токийский политехнический университет (TPU) в качестве экспериментального примера (M0/S0), таких как применимые к процессу проектирования конструкции на основе WTG-Merkblatt-M3.
Эта часть результатов относится к Группе 1 согласно Рисунку 2.2 в WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Абсолютные значения с требованиями к средней точности. Область применения может включать параметры или предварительные исследования, когда позже запланированы более точные исследования (например, аэродинамические испытания класса G3).
- R2: Одиночные, все релевантные направления ветра с достаточно тонким разрешением по направлениям.
- Z1: Статистические средние значения, при условии, что они касаются стационарных процессов течения, где колебания (например, из-за турбулентности приближающегося потока) могут быть захвачены достаточно другими мерами.
- S1: Статические эффекты. Достаточно представить конструктивную модель с необходимыми механическими деталями, но без свойств массы и демпфирования.
Описание
Путем исследования аэродинамического поведения на различных плоскостях, это сопоставление стремится предоставить более полное понимание распределения сил. Такие данные критически важны для оценки общей стабильности модели, аэродинамической эффективности и отклика конструкции при условиях течения. Средний профиль скорости и интенсивности турбулентности на входе, воспроизведенный в аэродинамической трубе, соответствует стандартам категории местности IV по стандарту Архитектурного Института Японии (AIJ). Указанный в некоторых фигурах показатель 0,25 классифицирован как опечатка после запроса. Предполагаемая модель показана на приведенном ниже изображении 1:
Предпосылки для анализа и симуляций суммированы в Таблице 1, предоставляя четкий обзор параметров и условий, рассмотренных в ходе исследования.:
Таблица 1: Входные данные для 3D прямоугольной модели
| Параметр | Символ | Значение | Единица измерения |
|---|---|---|---|
| Скорость опорного ветра | UH | 11 | м/с |
| Высота крыши | Href | 0.4 | м |
| Экспонента профиля | α | 0.25 | - |
| Категория местности | - | IV | - |
| Плотность воздуха – RWIND | ρ | 1.25 | кг/м³ |
| Модель турбулентности – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Кинематическая вязкость – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | м²/с |
| Порядок схемы – RWIND | Second | - | - |
| Целевое значение остатка – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Тип остатка – RWIND | Давление | - | - |
| Минимальное количество итераций – RWIND | 800 | - | - |
| Пограничный слой – RWIND | NL | 10 | - |
| Тип функции стены – RWIND | Enhanced / Blended | - | - |
Исследование вычислительной сетки
Изображение 2 суммирует исследование чувствительности сетки, показывая, что по мере увеличения плотности сетки с 20% до 55% коэффициент силы (Cf) увеличивается с 0.95 до 1.05 и затем стабилизируется. Это указывает на то, что симуляция достигает независимости от сетки на уровне 55%, что означает, что дальнейшее уточнение больше не изменяет результаты значительно. Изображение подчеркивает важность качества сетки для обеспечения надежных результатов симуляций ветра.
Также исследование вычислительной сетки должно быть выполнено в соответствии с следующей ссылкой:
Изображение 3 представляет диаграмму, сравнивающую результаты RWIND с экспериментальными данными относительно нанесения на график нормализованных профилей скорости ветра в зависимости от высоты. Результаты показывают очень хорошее согласие.
Требование точности WTG-Merkblatt
Документ WTG-Merkblatt M3 предоставляет два ключевых метода для проверки результатов симуляций. Метод Коэффициент попаданий оценивает, сколько из симулированных значений Pi правильно соответствуют эталонным значениям Oi в рамках определенной толерантности, используя подход бинарной классификации (попадание или промах). Этот подход оценивает надежность симуляции, вычисляя коэффициент попаданий q, подобный функциям доверия, используемым в теории надежности. В отличие от этого, метод Нормализованная среднеквадратическая ошибка (e2) предлагает более детальную оценку точности, количественно измеряя среднее квадратичное отклонение между симулированными и эталонными значениями, нормализованное для учета масштабных различий. Вместе эти методы предоставляют как качественные, так и количественные показатели для проверки симуляции.
Результаты и обсуждение
Таблица 3 показывает очень хорошее согласие по метрике проверки между результатами RWIND и эталонными данными WTG для нормализованных значений скорости. Все отклонения находятся в допустимых пределах (менее 10%), поэтому коэффициент попаданий получается q = 100%, и нормализованная среднеквадратическая ошибка e2 = 0.00001 чрезвычайно мала. Эти результаты подтверждают, что RWIND точно воспроизводит эталонный профиль ветра и соответствует строгим критериям проверки.
Таблица 3: Метрика проверки для профиля скорости
| WTG - u / uref | RWIND - u / uref | Отклонение (%) | n |
|---|---|---|---|
| 0.394 | 0.390 | 1.045 | 1.00 |
| 0.478 | 0.473 | 1.093 | 1.00 |
| 0.566 | 0.564 | 0.291 | 1.00 |
| 0.629 | 0.629 | 0.081 | 1.00 |
| 0.675 | 0.674 | 0.183 | 1.00 |
| 0.713 | 0.712 | 0.072 | 1.00 |
| 0.750 | 0.753 | 0.422 | 1.00 |
| 0.784 | 0.783 | 0.098 | 1.00 |
| 0.822 | 0.819 | 0.362 | 1.00 |
| 0.869 | 0.865 | 0.463 | 1.00 |
| 0.897 | 0.901 | 0.496 | 1.00 |
| 0.939 | 0.940 | 0.113 | 1.00 |
| 1.010 | 1.005 | 0.493 | 1.00 |
| 1.065 | 1.070 | 0.540 | 1.00 |
| 1.123 | 1.124 | 0.044 | 1.00 |
| 1.161 | 1.162 | 0.121 | 1.00 |
| 1.195 | 1.195 | 0.051 | 1.00 |
| 1.237 | 1.240 | 0.263 | 1.00 |
| 1.266 | 1.270 | 0.291 | 1.00 |
| 1.299 | 1.302 | 0.223 | 1.00 |
Изображение 4 иллюстрирует, как зоны поверхности определяются в RWIND для точного расчета коэффициентов силы на каждой поверхности модели здания, подвергающейся воздействию ветра. 3D модель с простой прямоугольной формой имеет каждую поверхность лицевую, заднюю, левую, правую и верхнюю стороны, обозначенные зоной с уникальными цветами. Эти зоны позволяют RWIND отдельно анализировать и рассчитывать аэродинамические силы и распределение давления независимо для каждой поверхности. Вместо использования множества точечных зондов мы решили определить зоны поверхности, так как RWIND может напрямую определить коэффициент силы для каждой определенной зоны.
В центре Изображения 4 открыто окно "Редактировать зону" для зоны № 2 - Фронт в качестве примера. Этот детальный вывод включает ключевые аэродинамические параметры. Проектируемая площадь этой зоны в направлении ветра составляет 0.04 м². Рассчитанная сила натяжения на этой поверхности составляет 1.7 Н, а соответствующий коэффициент силы (Cx) равен 0.56. В следующей формуле коэффициент силы ветра (аэродинамический коэффициент силы) для определенной зоны давления рассчитывается в качестве примера. Это значение затем может быть сравнено со значением, отображаемым на вкладке информации в диалоге "Изменить данные модели".
Изображение 5 показывает результаты постобработки симуляции ветра, проведенной для высотного здания с использованием модели турбулентности k-omega. Справа на изображении отображается таблица сравнения, в которой указаны коэффициенты силы, полученные по результатам CFD-симуляции, в сравнении с эталонными значениями из руководства WTG. Лицевая поверхность имеет коэффициент силы 0.562, по сравнению с эталоном WTG 0.540, что соответствует отклонению в 4.07%. Задняя поверхность, которая подвергается отрицательному давлению из-за эффектов волнов, показывает немного большее отклонение в 6.09%. Боковые поверхности также показывают незначительные различия с отклонениями в пределах от 3.68% до 5.38%. Примечательно, что общий коэффициент силы в направлении ветра, представляющий глобальный эффект натяжения, показывает только отклонение в 1.95%, что подчеркивает точность и надежность CFD-симуляции в capturing the overall aerodynamic behavior of the structure.
Фактические значения силы в ньютонах для каждой стороны здания отображаются ниже этой таблицы. Лицевая поверхность подвергается положительной силе тяги в 1.7 Н, в то время как задняя, правая и левая поверхности испытывают отрицательные силы из-за всасывания и бокового натяжения. Общая масса в направлении ветра составляет 3.2 Н, соответствуя глобальному выходу силы, указанному в резюме сетки. Симуляция использовала эталонную скорость ветра 11 м/с и площадь поверхности 0.04 м².
Таблица 4 показывает, что RWIND точно воспроизводит эталонные средние коэффициенты силы WTG на всех поверхностях, с отклонениями в пределах от 1.95% до 6.09% и q=100% как коэффициент попаданий. Низкая нормализованная среднеквадратичная ошибка e2=0.0015 подтверждает сильное согласие между симуляцией и измерениями, эффективно соответствуя стандартам проверки.
Таблица 4: Метрика проверки для средних коэффициентов силы между WTG и RWIND
| Коэффициент силы | Cf,mean – WTG | Cf – RWIND – k-omega | Отклонение (%) | n |
|---|---|---|---|---|
| Лицевая поверхность | 0.540 | 0.562 | 4.07 | 1.00 |
| Задняя поверхность | –0.528 | –0.496 | 6.09 | 1.00 |
| Правая боковая поверхность | –0.829 | –0.860 | 3.68 | 1.00 |
| Левая боковая поверхность | –0.847 | –0.893 | 5.38 | 1.00 |
| Общая сила в направлении ветра | 1.070 | 1.058 | 1.95 | 1.00 |
| Общая сила в направлении поперечного ветра | 0.018 | 0.020 | 10.00 | 1.00 |
| Момент в направлении ветра | 0.582 | 0.520 | 10.65 | 1.00 |
| Момент в направлении поперечного ветра | 0.010 | 0.0099 | 1.00 | 1.00 |
