用户案例
本案例展示了作用于桥梁主梁截面上的气动力的实验与数值数据 [1]。这类数据被广泛用作验证CFD模拟和评估风工程应用中气弹行为的基准参考。桥梁截面周围的绕流是一个复杂的气动问题，涉及流动分离、剪切层相互作用和尾流发展。根据几何形状和攻角的不同，可能同时出现定常和非定常气动效应，包括涡激振动、驰振和颤振。
与简单的钝体相比，桥梁主梁表现出高度依赖于几何形状的流动行为。微小的几何细节（例如，边缘尖锐度、栏杆、导流罩）会显著影响压力分布和力系数。因此，精确预测这些效应对数值模拟来说尤其具有挑战性。该案例与第4组根本相关，因为它涉及气弹现象，特别是桥梁截面的颤振和流固耦合行为。然而，由于目前在RWIND中无法进行完全耦合的双向流固耦合模拟，因此无法直接表示气弹效应。
因此，采用了一种简化方法。鉴于此，根据WTG-Merkblatt M3中的 图 2.2 ，基于平均风速和相应的平均气动量的评估，该案例在RWIND中作为属于第1组来处理：
- G1： 用于基础研究或初步设计的、精度要求较低的定性值。由于所有边界条件通常尚未完全明确，因此减少了工作量和详细程度要求。
- R1： 孤立（无周围建筑物），分析个别重要风向。
- Z1： 统计平均值，前提是这些涉及定常流动过程，其中脉动（例如，由来流湍流引起的）可以通过其他措施充分捕获。
- S1： 静态效应。用必要的力学细节来表示结构模型就足够了，但无需质量和阻尼特性。
描述
研究案例侧重于桥梁主梁截面在不同攻角的定常来流下的气动行为。本研究的主要目标是确定定常气动力系数，特别着重于阻力系数 CD。基于稳态CFD模拟，评估作用在截面上的平均阻力，并随后使用参考动压和特征尺寸进行无量纲化。这样便可以计算 CD，并能够与实验数据进行一致性比较，以及在结构设计中的应用。
除了阻力系数，还可以评估其他总体系数，如升力 CL 和力矩 CM，以提供桥梁主梁更完整的气动特性。然而，主要关注点仍然是精确预测 CD，将其作为顺风向荷载的关键参数。
出发点是由 qo=1/2 ρU2 定义的风的动压，其中 ρ 是空气密度，U 是平均风速。该量表示单位体积气流的动能，并作为所有气动荷载的参考基准。
表 1: 桥梁截面的输入数据
| 参数 | 符号 | 值 | 单位 |
|---|---|---|---|
| 自由来流速度 | u | 8.2 | m/s |
| 屋顶高度 | Href | 180 | mm |
| 空气密度 – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| 湍流模型 – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| 运动粘度 – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| 格式阶数 – RWIND | 二阶 | - | - |
| 残差目标值 – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| 残差类型 – RWIND | 压力 | - | - |
| 最小迭代次数 – RWIND | 800 | - | - |
| 边界层 – RWIND | NL | 10 | - |
| 壁面函数类型 – RWIND | 标准 | - | - |
计算网格研究
图 2 展示了在RWIND中对一个圆柱模型进行的网格敏感性分析。计算得到的力系数随网格密度增加而略有下降，从15%密度时的0.76降至25%时的0.71，并进一步降至35%时的0.70。这种逐渐减小表明随着网格细化，解趋于稳定。在较高网格密度下Cf的微小变化证明了整体收敛性，表明进一步细化对结果影响很小。
此外，计算网格研究需根据以下链接执行：
WTG-Merkblatt M3 精度要求
WTG-Merkblatt M3提供了两种验证模拟结果的关键方法。命中率方法使用二元分类方法（命中或未命中）评估在定义的容差范围内，有多少模拟值 Pi 正确匹配参考值 Oi。该方法通过计算命中率 q 来评估模拟的可靠性，类似于可靠性理论中使用的置信函数。相比之下，归一化均方误差 (e2) 方法通过量化模拟值与参考值之间的平均平方偏差，并进行归一化以考虑尺度差异，从而提供更详细的精度评估。这些方法共同为模拟验证提供了定性和定量的衡量标准。
结果与讨论
图 3 展示了一个二维正方形板的表面压力分布和积分气动力。模拟采用8.2 m/s的自由来流速度，压力等值线范围从+32.1 Pa到−45.4 Pa，突出显示了正压和吸力区域。信息窗口比较了原始CAD几何模型与计算模型的结果，报告了4.8 N的合力及其分力和相应的压力中心。该示例展示了RWIND精确计算压力分布、积分气动载荷以及确定用于验证和结构荷载传递的压力中心的能力。从计算模型获得的积分气动载荷得到的总力为4.8 N，其中包括用于计算阻力系数 CD = 0.073 （基于0.648 m²的参考面积）的2.0 N的阻力。此外，计算出的压力中心提供了作用在模型上总气动力的位置。这些结果共同证明了用于验证目的的压力分布、积分力计算和气动力系数评估的一致性。
表 2 比较了在五个攻角下从实验测量和RWIND获得的阻力系数。对于每种情况，报告了绝对差值、百分比偏差以及与±10%和±20%验收标准的符合情况。结果表明在-10°和10°时具有极好的一致性，偏差分别为5.30%和2.56%。在-5°和5°时观察到较大差异，而0°的情况保持在±20%的验收标准内。总体而言，40%的案例满足±10%的标准，而60%的案例满足±20%的标准。
表 2: RWIND与实验数据的阻力系数 CD 比较
| 角度 | CD – 实验 | CD – RWIND | 差值 | 偏差 (%) | 命中率 ≤10% | 命中率 ≤20% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| -10 | 0.132 | 0.125 | -0.007 | 5.30 | 🟢 | 🟢 |
| -5 | 0.102 | 0.062 | -0.040 | 39.22 | 🔴 | 🔴 |
| 0 | 0.088 | 0.073 | -0.015 | 17.05 | 🔴 | 🟢 |
| 5 | 0.099 | 0.062 | -0.037 | 37.37 | 🔴 | 🔴 |
| 10 | 0.117 | 0.114 | -0.003 | 2.56 | 🟢 | 🟢 |
表 3 总结了用于评估RWIND预测与实验参考数据之间一致性的统计指标。验证基于5个数据点，得到的命中率为±10%偏差内40%，±20%内60%。总体预测误差通过归一化均方误差为0.00093，平均误差为−0.0204，表明RWIND存在轻微的总体低估，平均绝对误差为0.0204，均方根误差为0.0254来量化。这些指标提供了对CFD模型相对于实验测量的预测准确性和偏差的总体评估。
表 3. RWIND验证的统计性能指标
| 指标 | 值 |
|---|---|
| 数据点数量 | 5 |
| 命中率 (10%) | 40% |
| 命中率 (20%) | 60% |
| 归一化均方误差 | 0.0551 |
| 平均误差 | -0.0204 |
| 平均绝对误差 | 0.0204 |
| 均方根误差 | 0.0254 |
图 4 比较了在-10°至+10°攻角之间，从实验测量和RWIND模拟获得的阻力系数。两组数据均表现出相似的U形趋势，在0°时阻力最小。RWIND成功地捕捉了总体气动行为，但始终低估了阻力系数，特别是在中间角度时，而在极端角度时表现出良好的一致性。总体而言，结果表明RWIND可靠地预测了阻力随攻角变化的定性趋势，尽管在湍流和近壁面建模方面的进一步改进可以提高其定量精度。
