История Пользователя
В этом примере мы рассчитаем усреднённый коэффициент давления ветра (Cp), который относится к Группе 2, в соответствии с Рисунком 2.2 в WTG-Меркблате-М3:
- G2: Абсолютные значения с требованиями средней точности. Область применения может включать параметры или предварительные исследования, когда планируются последующие исследования с большей точностью (например, испытание в аэродинамической трубе класса G3).
- R2: Отдельные, все релевантные направления ветра с достаточно высокой разрешающей способностью по направлениям.
- Z2: Среднестатистические значения и стандартные отклонения, при условии, что они связаны со стационарными процессами потока, для которых достаточно статистической проверки флуктуаций с помощью пикового коэффициента.
- S1: Статические эффекты. Они достаточны для представления структурной модели с необходимыми механическими деталями, но без учета массы и свойств демпфирования.
Описание
Данный случай проверки, основанный на документе немецкого WTG: Информационный бюллетень Комитета 3 - Численная симуляция ветровых потоков, Глава 9.2 (см. ссылки), сравнивает вычислительные результаты динамики жидкостей коэффициентов давления ветра с экспериментальными данными из аэродинамической базы данных Токийского Политехнического Университета (TPU) (см. ссылки). Анализ сосредоточен на модели высотного здания (соотношение 2:1:5). Данные TPU в аэродинамической трубе пограничного слоя – тщательно подтвержденные в рецензируемых исследованиях и общедоступные через их портал ветровой инженерии – предоставляют стандартные метрики для оценки точности моделирования турбулентности и влияния чувствительности сетки. Основные параметры сравнения включают средние значения коэффициентов давления в критических зонах здания (лицевая сторона, боковые стены, зоны отрыва на задней стороне).
| Свойства жидкости | Кинематическая вязкость | ν | 1.500e-5 | м2/с |
| Плотность | ρ | 1.250 | кг/м3 | |
| Аэродинамическая труба | Длина | Dx | 2720.000 | м |
| Ширина | Dy | 900.000 | м | |
| Высота | Dz | 720.000 | м | |
| Здание | Ширина | B | 80.000 | м |
| Глубина | D | 40.000 | м | |
| Высота | H | 200.000 | м | |
| Параметры расчета | Скорость на опорной высоте | uref | 22.000 | м/с |
| Опорная высота | zref | 10.000 | м | |
| Константа фон Кармана | κ | 0.410 | ||
| Константа турбулентной вязкости | Cμ | 0.090 | ||
| Аэродинамическая длина шероховатости поверхности | z0 | 1.000 | м |
Аналитическое Решение
Аналитическое решение недоступно. Пример предоставляет сравнение результатов моделирования с использованием RWIND CFD и экспериментальных данных (Аэродинамическая база данных TPU).
Профиль скорости ветра рассчитывается по степенному закону по следующей формуле:
где показатель степени α определяется как
Интенсивность турбулентности берется из аэродинамической базы данных TPU в соответствии со следующим графиком для α=0.25.
Настройки Симуляции RWIND
- Моделирование в RWIND 3.04
- Тип моделирования - переходной поток
- Плотность сетки 20% с уточнениями: 5,698,702 ячеек
- Модель Спаларта-Алмараса DDES
- Граничное условие на входе - профиль скорости и интенсивности турбулентности
- Дно туннеля - граничное условие без скольжения
- Стены туннеля и верхняя часть - условие скольжения
- Граничное условие выхода - нулевое давление; нулевой градиент скорости
Требования К Точности по WTG-Меркблат M3
WTG-Меркблат M3 предлагает два ключевых метода для валидации результатов моделирования. Метод Процент попаданий (q) оценивает, сколько из смоделированных значений Pi соответствуют контрольным значениям Oi в пределах заданной допустимости, используя подход бинарной классификации (попадание или промах). Этот подход оценивает надежность моделирования, вычисляя процент попаданий q, аналогично функциям доверия, используемым в теории надежности. В отличие от этого, метод Нормализованной Среднеквадратической Ошибки (e2) предлагает более детальную оценку точности, количественно определяя среднеквадратическое отклонение между смоделированными и контрольными значениями, нормализованное с целью учета масштабных различий. Вместе эти методы предоставляют как качественные, так и количественные меры для валидации моделирования.
Результаты
Желаемые значения параметра процента попаданий q составляют более 90%, и относительная среднеквадратическая ошибка должна быть ниже 0.01. Из следующей таблицы видно, что сравнение экспериментальных данных из TPU с результатами моделирования потока в RWIND не соответствует требованиям.
| Поверхность | q [%] для Wrel = 10% | q [%] для Wrel = 20% | e2 [1] |
| Наветренная | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Правая боковая | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Левая боковая | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Заветренная | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
На следующих графиках усредненные коэффициенты давления ветра, полученные в результате моделирования RWIND, сравниваются со средними значениями из временных рядов в тестовых точках, полученных из Аэродинамической базы данных TPU. Сравнения проводятся по наветренной, правой боковой, левой боковой и заветренной поверхностям здания.
Графики показывают очень хорошее согласование на наветренной поверхности. Коэффициенты давления ветра имеют решающее значение для нагрузок на здание, особенно на этой поверхности. В случае других поверхностей хорошее согласование видно между направлением результатов моделирования и эксперимента.
Примечание: Экспериментальные данные, показанные на графиках, построены на основе файлов данных, полученных с веб-сайта TPU. Однако графики, показанные на веб-сайте TPU, совпадают с файлами данных только в случае наветренной поверхности.
