Пользовательская история
В этом примере мы рассчитаем усредненный коэффициент ветрового давления (Cp), который относится к Группе 2, согласно Рисунку 2.2 в WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Абсолютные значения со средними требованиями к точности. Область применения может включать параметрические или предварительные исследования, когда позже планируются исследования с более высокой точностью (например, испытания в аэродинамической трубе класса G3).
- R2: Отдельно стоящее здание, все релевантные направления ветра с достаточно точным разрешением по направлениям.
- Z2: Статистические средние значения и стандартные отклонения, при условии, что они включают стационарные процессы обтекания, для которых достаточно статистической проверки флуктуаций с пиковым фактором.
- S1: Статические эффекты. Их достаточно для представления структурной модели с необходимой механической детализацией, но без учета массы и демпфирования.
Описание
Этот верификационный пример, основанный на документе немецкого WTG: Fact Sheet of Committee 3 - Numerical Simulation of Wind Flows, Chapter 9.2 (см. ссылки), сравнивает результаты расчетов вычислительной гидродинамики для коэффициентов ветрового давления с экспериментальными данными из аэродинамической базы данных Токийского политехнического университета (TPU) (см. ссылки). Анализ сосредоточен на модели высотного здания (соотношение 2:1:5). Данные испытаний TPU в аэродинамической трубе с пограничным слоем - тщательно проверенные в ходе рецензируемых исследований и общедоступные через их портал ветротехники - предоставляют эталонные метрики для оценки точности моделирования турбулентности и влияния чувствительности сетки. Ключевые параметры сравнения включают средние значения коэффициентов давления в критических зонах здания (наветренная сторона, боковые стены, подветренные области отрыва).
| 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 | Референсная скорость | uref | 22.000 | м/с |
| Референсная высота | zref | 10.000 | м | |
| Постоянная фон Кармана | κ | 0.410 | ||
| Константа турбулентной вязкости | Cμ | 0.090 | ||
| Аэродинамическая длина шероховатости поверхности | z0 | 1.000 | м |
Аналитическое решение
Аналитическое решение отсутствует. Пример предоставляет сравнение результатов CFD-имитации RWIND и экспериментальных данных (Аэродинамическая база данных TPU).
Профиль скорости ветра рассчитывается по степенному закону согласно следующей формуле:
где показатель профиля α определяется как
Интенсивность турбулентности взята из аэродинамической базы данных TPU согласно следующему графику для α=0.25.
Настройки имитации в RWIND
- Моделирование выполнено в RWIND 3.04
- Тип имитации: нестационарное обтекание
- Плотность сетки 20% с уточнениями: 5 698 702 ячейки
- Модель Spalart-Allmaras DDES
- Граничное условие на входе - профиль скорости и профиль интенсивности турбулентности
- Дно трубы - граничное условие прилипания
- Стенки и верх трубы - граничное условие скольжения
- Граничное условие на выходе - нулевое давление; нулевой градиент скорости
Требование к точности WTG-Merkblatt M3
WTG-Merkblatt M3 предоставляет два ключевых метода для валидации результатов имитации. Метод частоты попаданий (Hit Rate, q) оценивает, сколько имитированных значений Pi правильно соответствуют эталонным значениям Oi в пределах заданного допуска, используя подход бинарной классификации (попадание или промах). Этот подход оценивает надежность имитации путем расчета частоты попаданий q, аналогично функциям доверия, используемым в теории надежности. В отличие от этого, метод Нормированной среднеквадратичной ошибки (e2) предлагает более детальную оценку точности путем количественной оценки среднего квадратичного отклонения между имитированными и эталонными значениями, нормированного для учета разницы масштабов. Вместе эти методы обеспечивают как качественные, так и количественные измерения для валидации имитации.
Результаты
Желаемые значения параметра частоты попаданий q составляют более 90%, а относительная среднеквадратичная ошибка должна быть ниже 0.01. Из следующей таблицы видно, что сравнение экспериментальных данных TPU с результатами имитации обтекания 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 |
| Подветренная | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
На следующих графиках усредненные коэффициенты ветрового давления, полученные с помощью имитации в RWIND, сравниваются со средними значениями из временных рядов в контрольных точках, измеренных с помощью аэродинамической базы данных TPU. Сравнения проводятся для наветренной, правой боковой, левой боковой и подветренной поверхностей здания.
Графики показывают очень хорошее совпадение на наветренной поверхности. Коэффициенты ветрового давления имеют решающее значение для нагрузок на здание, особенно на этой поверхности. В случае других поверхностей наблюдается хорошее совпадение между тенденцией результатов имитации и экспериментом.
Примечание: Экспериментальные данные, показанные на графиках, построены на основе файлов данных, полученных с веб-сайта TPU. Однако графики, показанные на веб-сайте TPU, соответствуют файлам данных только в случае наветренной поверхности.
