Описание работы
В текущем примере проверки мы исследуем коэффициент силы ветра (Cf ) кубических форм с помощью стандарта EN 1991-1-4 [1] . Существуют трехмерные случаи, которые мы объясним более подробно в следующей части.
Одним из важных моментов в моделировании CFD является поиск точных и совместимых конфигураций в отношении входных данных, таких как модели турбулентности, профиль скорости ветра, интенсивность турбулентности, условия пограничного слоя, порядок дискретизации и т.д., численные детали которых не упоминаются в Еврокоде. В текущем примере для кубической формы мы рекомендуем совместимые настройки по норме Еврокод. Как видно из стандарта EN 1991-1-4, существуют различные таблицы и диаграммы для статического расчета ветровой нагрузки.
Аналитическое решение
Из-за соотношения h/d, как показано на рисунке 1 (таблица 7.1 Еврокода), существуют трехмерные категории для формы куба. Исходные данные для каждого размерного случая рассматриваются на основе таблицы 1.
В первом случае мы рассматриваем форму многоэтажного куба (h/d = 5) относительно входных данных, которые показаны в следующей таблице:
| ' ' ' Соотношение размеров: в/д = 5 ' ' ' | |||
| Скорость ветра | V | 30 | м/с |
| Высота | h | 50 | m |
| глубина | d | 10 | m |
| Ширина | b | 12 | m |
| Коэффициент твердости (уравнение 7.28, EN 1991-1-4) | Φ | 1 | - |
| Эффективная гибкость (таблица 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 5,83 | - |
| Коэффициент конечного эффекта (рис. 7.36, EN 1991-1-4) | ψλ | 0,68 | - |
| Понижающий коэффициент (рис. 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | - |
| Коэффициент силы без обтекания свободным концом (рис. 7.23, EN 1991-1-4) | Cf, 0 | 2,30 | - |
| Коэффициент силы (уравнение 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 1,564 | - |
| Плотность воздуха - RWIND | ρ | 1,25 | кг/м3 |
| Модель турбулентности - RWIND | Устойчивый RANS k-ω SST | - | - |
| Кинематическая вязкость (уравнение 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5 * 10-5 | м2/с |
| Схема заказа - RWIND | Второй | - | - |
| Остаточное целевое значение - RWIND | 10-5 | - | - |
| Остаточный тип - RWIND | сжатие | - | - |
| Минимальное количество итераций - RWIND | 800 | - | - |
| Граничный слой - RWIND | NL | 10 | - |
| Тип функции стены - RWIND | Улучшенный/смешанный | - | - |
| Интенсивность турбулентности (наилучшее соответствие) - НАЗАД | i | 15% | - |
В следующем случае мы рассмотрим среднюю форму куба (h/d = 1) из-за входных данных, которые показаны в следующей таблице:
| ' ' ' Соотношение размеров: ч/д = 1 ' ' ' | |||
| Скорость ветра | V | 30 | м/с |
| Высота | h | 10 | m |
| глубина | d | 10 | m |
| Ширина | b | 12 | m |
| Коэффициент твердости (уравнение 7.28, EN 1991-1-4) | Φ | 1 | - |
| Эффективная гибкость (таблица 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 1,66 | - |
| Коэффициент конечного эффекта (рис. 7.36, EN 1991-1-4) | ψλ | 0,62 | - |
| Понижающий коэффициент (рис. 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | - |
| Коэффициент силы без обтекания свободным концом (рис. 7.23, EN 1991-1-4) | Cf, 0 | 2,30 | - |
| Коэффициент силы (уравнение 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 1,426 | - |
| Плотность воздуха - RWIND | ρ | 1,25 | кг/м3 |
| Модель турбулентности - RWIND | Устойчивый RANS k-ω SST | - | - |
| Кинематическая вязкость (уравнение 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5 * 10-5 | м2/с |
| Схема заказа - RWIND | Второй | - | - |
| Остаточное целевое значение - RWIND | 10-5 | - | - |
| Остаточный тип - RWIND | сжатие | - | - |
| Минимальное количество итераций - RWIND | 800 | - | - |
| Граничный слой - RWIND | NL | 10 | - |
| Тип функции стены - RWIND | Улучшенный/смешанный | - | - |
| Интенсивность турбулентности (наилучшее соответствие) - НАЗАД | i | 7,5% | - |
В последнем случае куб с коротким подъемом считается формой (h/d = 0,25) благодаря входным данным, которые показаны в следующей таблице:
| ' ' ' Соотношение размеров: в/д = 0,25 ' ' ' | |||
| Скорость ветра | V | 30 | м/с |
| Высота | h | 2.50 | m |
| глубина | d | 10 | m |
| Ширина | b | 2.50 | m |
| Коэффициент твердости (уравнение 7.28, EN 1991-1-4) | Φ | 1 | - |
| Эффективная гибкость (таблица 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 2 | - |
| Коэффициент конечного эффекта (рис. 7.36, EN 1991-1-4) | ψλ | 0,63 | - |
| Понижающий коэффициент (рис. 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | - |
| Коэффициент силы без обтекания свободным концом (рис. 7.23, EN 1991-1-4) | Cf, 0 | 1.20 | - |
| Коэффициент силы (уравнение 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 0,756 | - |
| Плотность воздуха - RWIND | ρ | 1,25 | кг/м3 |
| Модель турбулентности - RWIND | Устойчивый RANS k-ω SST | - | - |
| Кинематическая вязкость (уравнение 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5 * 10-5 | м2/с |
| Схема заказа - RWIND | Второй | - | - |
| Остаточное целевое значение - RWIND | 10-5 | - | - |
| Остаточный тип - RWIND | сжатие | - | - |
| Минимальное количество итераций - RWIND | 800 | - | - |
| Граничный слой - RWIND | NL | 10 | - |
| Тип функции стены - RWIND | Улучшенный/смешанный | - | - |
| Интенсивность турбулентности (наилучшее соответствие) - НАЗАД | i | 15% | - |
Результаты
Результаты для коэффициента силы ветра получены при различных соотношениях размеров и интенсивности турбулентности. Для первого случая, когда речь идет о многоэтажном кубе (h/d = 5), значение Cf показано в следующей таблице:
| Интенсивность турбулентности (%) (h/d = 5) | Fd (N) | ρ (кг/м3 ) | u (м/с) | А (м2 ) | Cf |
| 1.00 - НАЗАД | 498829 | 1,25 | 30 | 600 | 1,478 |
| 5.00 - НАЗАД | 518278 | 1,25 | 30 | 600 | 1,536 |
| 7.50 - ЗАДНИЙ | 521515 | 1,25 | 30 | 600 | 1,545 |
| 10.00 - НАЗАД | 520397 | 1,25 | 30 | 600 | 1,542 |
| 15.00 - НАЗАД | 525011 | 1,25 | 30 | 600 | 1,556 |
| 20.00 - НАЗАД | 533059 | 1,25 | 30 | 600 | 1,579 |
| 25.00 - НАЗАД | 543164 | 1,25 | 30 | 600 | 1,609 |
| Еврокод | - | - | - | - | 1,564 |
Для второго случая, когда речь идет о среднеэтажном кубе (h/d = 1), значение Cf показано в следующей таблице:
| Интенсивность турбулентности (%) (h/d = 1) | Fd (N) | ρ (кг/м3 ) | u (м/с) | А (м2 ) | Cf |
| 1.00 - НАЗАД | 97148 | 1,25 | 30 | 120 | 1,439 |
| 5.00 - НАЗАД | 95497 | 1,25 | 30 | 120 | 1,415 |
| 7.50 - ЗАДНИЙ | 96420 | 1,25 | 30 | 120 | 1,428 |
| 10.00 - НАЗАД | 96453 | 1,25 | 30 | 120 | 1,429 |
| 15.00 - НАЗАД | 96666 | 1,25 | 30 | 120 | 1,432 |
| 20.00 - НАЗАД | 91027 | 1,25 | 30 | 120 | 1,349 |
| 25.00 - НАЗАД | 89827 | 1,25 | 30 | 120 | 1,331 |
| Еврокод | - | - | - | - | 1,426 |
Для последнего случая, когда речь идет о малоэтажном кубе (h/d = 0,25), значение Cf показано в следующей таблице:
| Интенсивность турбулентности (%) (h/d = 0,25) | Fd (N) | ρ (кг/м3 ) | u (м/с) | А (м2 ) | Cf |
| 1.00 - НАЗАД | 2711 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,771 |
| 5.00 - НАЗАД | 2692 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,766 |
| 7.50 - ЗАДНИЙ | 2671 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,760 |
| 10.00 - НАЗАД | 2667 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,759 |
| 15.00 - НАЗАД | 2650 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,754 |
| 20.00 - НАЗАД | 2662 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,757 |
| 25.00 - НАЗАД | 2630 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,748 |
| Еврокод | - | - | - | - | 0,756 |
Заключение
Результаты показывают очень хорошее соответствие между коэффициентом силы ветра RWIND и нормой ветра Еврокод. По результатам уточняется рекомендуемое значение интенсивности турбулентности для различных соотношений размеров. Интенсивность турбулентности от 7,5% до 15% показывает лучшие результаты при прогнозировании коэффициента силы ветра. Другой важный момент - это размер аэродинамической трубы, размер которой по умолчанию использовался в первых двух случаях, но в последнем случае (h/d = 0,25) модифицированный размер аэродинамической трубы показывает лучшие результаты.
Также здесь доступна для скачивания модель Cube с рекомендованными настройками:
