Описание
Этот проверочный пример, основанный на документе немецкой WTG: Информационный лист Комитета 3 - Численное моделирование воздушных потоков, Глава 9.2 (см. источники), сравнивает расчёты коэффициентов давления ветра методом вычислительной гидродинамики с экспериментальными данными из аэродинамической базы данных Токийского политехнического университета (TPU) (см. источники). Анализ фокусируется на модели высотного здания (соотношение 2:1:5). Данные TPU о пограничном слое - тщательно проверенные в рецензируемых исследованиях и общедоступные через их портал ветроинжиниринга - предоставляют эталонные метрики для оценки точности моделирования турбулентности и эффектов чувствительности сетки. Основные параметры сравнения включают средние значения коэффициентов давления в критических зонах здания (лицевая сторона, боковые стены, области отрыва с подветренной стороны).
| 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 расчёта | Референтная скорость | uref | 22.000 | м/с |
| Референтная высота | zref | 10.000 | м | |
| Константа фон Кармана | κ | 0.410 | ||
| Константа вязкости турбулентности | Cμ | 0.090 | ||
| Аэродинамическая длина шероховатости поверхности | z0 | 1.000 | м |
Аналитическое решение
Аналитическое решение недоступно. Пример предоставляет сравнение результатов моделирования в RWIND CFD и экспериментальных данных (Аэродинамическая база данных TPU).
Профиль скорости ветра рассчитывается по степенному закону по следующей формуле:
где показатель профиля α определяется как
Интенсивность турбулентности берётся из Аэродинамической базы данных TPU согласно следующему графику для α=0.25.
Настройки симуляции в RWIND
- Моделирование в RWIND 3.04
- Тип симуляции - нестационарный поток
- Плотность сетки составляет 20% с уточнениями: 5,698,702 ячеек
- Модель Спаларта-Алмараса DDES
- Граничное условие на входе - профиль скорости и профиль интенсивности турбулентности
- Дно туннеля - граничное условие "нескользящее"
- Стены туннеля и вверх - граничное условие "скользящее"
- Выходное граничное условие - нулевое давление; нулевой градиент скорости
Результаты
Валидаторная метрика рассчитывается в соответствии с WTG: Информационный лист Комитета 3 - Численное моделирование воздушных потоков, Глава 5.3.2 (см. источники). Сначала вычисляется значение параметра точности q для среднего значения коэффициента давления. Рассматривается относительное отклонение Wrel.
|
N |
Total number of data points |
|
ni |
Indicator function (1 if prediction is “correct”, 0 otherwise) |
|
Pi |
Predicted value |
|
Oi |
Reference value |
|
Wrel |
Allowed relative deviation |
Альтернативно, также может быть рассчитана среднеквадратическая ошибка e2 по следующей формуле.
Желаемые значения параметра точности q составляют более 90%, а относительная среднеквадратическая ошибка должна быть меньше 0.01. Из следующей таблицы ясно, что сравнение экспериментальных данных TPU и результатов моделирования потока в RWIND не соответствует требованиям.
| Поверхность | q [%] при Wrel = 10 % | q [%] при 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 |
| Подветренная | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
На следующих графиках средние коэффициенты давления ветра, полученные с помощью симуляции RWIND, сравниваются со средними значениями временных рядов в контрольных точках, измеренных с помощью Аэродинамической базы данных TPU. Сравнения выполняются на наветренной, правой боковой, левой боковой и подветренной поверхностях здания.
Графики показывают очень хорошее согласие на наветренной поверхности. Коэффициенты давления ветра являются ключевыми для нагрузок на здание, особенно на этой поверхности. В случае других поверхностей наблюдается хорошее согласие между трендом результатов симуляции и экспериментом.
Примечание: Экспериментальные данные, показанные на графиках, построены на основе файлов данных, полученных с веб-сайта TPU. Однако графики, показанные на сайте TPU, совпадают с файлами данных только в случае наветренной поверхности.
