Описание
Существующие стандарты, такие как EN 1991-1-4 [1], ASCE/SEI 7-16 и NBC 2015, предоставляют параметры ветровой нагрузки, включая коэффициент ветрового давления (Cp), для базовых конструктивных форм. Однако основная сложность заключается в определении этих параметров более эффективно и точно, а не полагаясь на трудоемкие и часто сложные формульные подходы, которые можно найти в стандартах.
Один из ключевых аспектов CFD-симуляций заключается в выборе точных и совместимых конфигураций, таких как модель турбулентности, профиль скорости ветра, интенсивность турбулентности, условия пограничного слоя и порядок дискретизации. Однако эти числовые детали не указаны явно в EN 1991-1-4.
В текущем примере валидации, касающемся цилиндрической структуры, мы предлагаем набор рекомендованных настроек CFD, которые согласуются с рамками Еврокода. Как описано в EN 1991-1-4, определение значений Cp основывается на сложных формулах, зависящих от числа Рейнольдса, которые могут быть упрощены с использованием хорошо откалиброванных подходов CFD.
Аналитическое Решение
Размеры цилиндра, представленные на Рисунке 1, рассчитаны для достижения числа Рейнольдса Re= 2*106 на основе Уравнения 7.15 из EN 1991-1-4. В этом уравнении b представляет диаметр цилиндра, ν — кинематическая вязкость воздуха (ν=15*10-6 м2/с), а v(ze) обозначает пиковую скорость ветра на контрольной высоте ze:
Предполагаемые и рекомендованные настройки CFD, обобщенные в Таблице 1, демонстрируют улучшенное согласие с коэффициентом давления Cp и значениями коэффициента силы, представленными в примере Еврокода:
| Скорость Ветра | V | 30 | м/с |
| Число Рейнольдса (Уравнение 7.15, EN 1991-1-4) | Re | 2*106 | - |
| Высота | L | 1 | м |
| Диаметр | D | 1 | м |
| Положение Минимального Давления/Разделения Потока (Таблица 7.12, EN 1991-1-4) | αmin/αA | 80/120 | Градусы |
| Значение Минимального Коэффициента Давления (Таблица 7.12, EN 1991-1-4) | Cp0,min | -1.9 | - |
| Базовый Коэффициент Давления (Таблица 7.12, EN 1991-1-4) | Cp0,h | -0.7 | - |
| Коэффициент Полноты (Уравнение 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | - |
| Эффективная Стройность (Таблица 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 1 | - |
| Фактор Концевого Эффекта (Рисунок 7.36 - Уравнение 7.17, EN 1991-1-4) | ψλ - ψλa | 0.6-(0.6-1) | - |
| Коэффициент Силы (Рисунок 7.28, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 0.55 | - |
| Плотность Воздуха | ρ | 1.25 | кг/м3 |
| Модель Турбулентности | Постоянный RANS k-ω SST | - | - |
| Кинематическая Вязкость (Уравнение 7.15, EN 1991-1-4) | ν | 1.5*10-5 | м2/с |
| Порядок Схемы | Второй | - | - |
| Целевое Значение Остатков | 10-5 | - | - |
| Тип Остатка | Давление | - | - |
| Минимальное Количество Итераций | 800 | - | - |
| Пограничный Слой | NL | 10 | - |
| Тип Функции Стены | Улучшенная / Смешанная | - | - |
| Интенсивность Турбулентности (Наилучшее Соответствие) | I | 7.5%-15% | - |
Результаты
В заключение, контур Cp для интенсивности турбулентности 7.5% показан на Рисунке 2, а соответствующая диаграмма для различных интенсивностей турбулентности представлена на Рисунке 3. Среди протестированных случаев, интенсивность турбулентности I=7.5% демонстрирует наилучшее согласие в предсказании среднего коэффициента давления ветра.
Однако, если рассматривать другой ключевой параметр, коэффициент силы Cf,0 (как указано в Таблице 2 и упомянуто в Рисунке 7.28 из EN 1991-1-4), интенсивность турбулентности 15% дает результаты, которые более согласуются с примером Еврокода.
| Интенсивность Турбулентности (%) | Fd (N) | ρ (кг/м3) | u (м/с) | A (м2) | Cf,0 |
| 1.00 | 253 | 1.25 | 30 | 1 | 0.45 |
| 5.00 | 226 | 1.25 | 30 | 1 | 0.40 |
| 7.50 | 253 | 1.25 | 30 | 1 | 0.46 |
| 10.00 | 257 | 1.25 | 30 | 1 | 0.46 |
| 15.00 | 303 | 1.25 | 30 | 1 | 0.54 |
| 20.00 | 328 | 1.25 | 30 | 1 | 0.58 |
| 25.00 | 361 | 1.25 | 30 | 1 | 0.64 |
| Еврокод | - | - | - | - | 0.55 |
Кроме того, модель цилиндра с рекомендованными настройками CFD доступна для загрузки здесь:
