H.1.8. 风荷载圆柱结构测量数据（WTG 示例 9.5）

Benutzerstory

Dieses Beispiel präsentiert experimentelle Messungen der aerodynamischen Kräfte und der Druckverteilung an einem kreisförmigen Zylinder, die häufig als Benchmark-Daten zur Validierung von CFD-Simulationen in der Windtechnik verwendet werden. Die Strömung um einen kreisförmigen Zylinder stellt ein klassisches aerodynamisches Problem dar, bei dem Strömungsablösung, Wirbelschleppenbildung und Reynolds-Zahl-Effekte die aerodynamischen Kräfte stark beeinflussen. Aufgrund dieser Phänomene sind gekrümmte Oberflächen wie Zylinder für numerische Simulationen besonders herausfordernd.

Experimentelle Studien zeigen, dass die aerodynamischen Koeffizienten eines Zylinders mit der Reynolds-Zahl und der Oberflächenrauheit erheblich variieren. Bei hohen Reynolds-Zahlen, wie sie für atmosphärische Windströmungen typisch sind, zeigen die Messungen häufig eine beträchtliche Streuung, was darauf hinweist, dass die Ergebnisse nicht nur von der Reynolds-Zahl, sondern auch von Oberflächeneigenschaften und Turbulenzbedingungen abhängen. Das Beispiel kann gemäß 图 2.2 im WTG-Merkblatt-M3, basierend auf der Untersuchung des mittleren Windgeschwindigkeitswertes, zur Gruppe 1 gehören:

• G1: Qualitative Werte mit geringen Genauigkeitsanforderungen für die Verwendung in der Grunduntersuchung oder Vorplanung. Der Aufwand und die Anforderungen an den Detaillierungsgrad sind reduziert, da oft nicht alle Randbedingungen vollständig geklärt sind.
• R1: Einzelobjekt (ohne umgebende Gebäude), Analyse einzelner wichtiger Windrichtungen.
• Z1: Statistische Mittelwerte, sofern diese stationäre Strömungsvorgänge betreffen, bei denen Schwankungen (z. B. aufgrund der anströmenden Turbulenz) durch andere Maßnahmen ausreichend erfasst werden können.
• S1: Statische Wirkungen. Es genügt, das Strukturmodell mit dem erforderlichen mechanischen Detailgrad abzubilden, jedoch ohne Massen- und Dämpfungseigenschaften.

Beschreibung

Dieses Validierungsbeispiel betrachtet die Strömung um einen endlichen, vertikal auf einer ebenen Platte montierten kreisförmigen Zylinder unter einer gleichförmigen Eintrittsgeschwindigkeit und bietet damit einen vereinfachten und gut kontrollierten Benchmark für CFD-Simulationen. Der Zylinder hat einen Durchmesser von D = 30 mm und eine Höhe von L = 180 mm und befindet sich in einem windkanalähnlichen Gebiet, in dem die anströmende Strömung in Richtung der Strömungslinie (X) ausgerichtet ist, während Y und Z die laterale bzw. vertikale Richtung bezeichnen. Im Gegensatz zu Simulationen der atmosphärischen Grenzschicht (ABL) wird die Einlassrandbedingung als konstantes Geschwindigkeitsprofil U(z)=U_o mit einer Freiströmungsgeschwindigkeit von 𝑈_o=10 definiert, sodass keine vertikale Scherung oder Geschwindigkeitsgradienten vorliegen. Diese Annahme reduziert die mit der Entwicklung der Grenzschicht verbundenen Komplexitäten und ermöglicht eine fokussierte Untersuchung der grundlegenden Strömungsphysik um den Zylinder.

Bei den gegebenen Strömungsbedingungen beträgt die auf den Zylinderdurchmesser bezogene Reynolds-Zahl ungefähr 𝑅𝑒≈20,000, wodurch die Strömung in einen subkritischen Bereich fällt, in dem Ablösung und Wirbelablösung zu erwarten sind. Die gleichförmige Anströmung führt zu einer symmetrischen Stauzone an der Vorderseite des Zylinders, gefolgt von Strömungsablösung entlang der Seiten und der Bildung einer Nachlaufzone, die durch Rezirkulation und periodische Wirbelablösung (in instationären Simulationen) gekennzeichnet ist. Die Wechselwirkung zwischen Zylinder und Bodenplatte führt durch Wandeffekte und die Ausbildung einer bodennahen Grenzschicht zu zusätzlicher Komplexität, abhängig von der numerischen Auflösung und dem Ansatz der Wandbehandlung.

1 实验设置和坐标系（毫米）

Tabelle 1: Eingabedaten des kreisförmigen Zylinders

Studie des Berechnungsnetzes

Abbildung 2 zeigt eine Netzsensitivitätsanalyse eines zylindrischen Modells in RWIND. Der berechnete Kraftbeiwert (C_f) sinkt von 0,76 bei einer Netzdichte von 15 % leicht auf 0,71 bei 25 % und weiter auf 0,70 bei 35 %. Diese schrittweise Abnahme zeigt, dass sich die Lösung bei Verfeinerung des Netzes stabilisiert. Die geringe Variation von C_f bei höheren Netzdichten zeigt eine insgesamt gute Konvergenz und deutet darauf hin, dass eine weitere Verfeinerung nur einen geringen Einfluss auf die Ergebnisse hat.

2 圆柱模型的网格敏感性分析，显示力系数 (Cf) 随网格密度增加而收敛

Außerdem muss die Studie des Berechnungsnetzes gemäß folgendem Link durchgeführt werden:

• 计算网格算例

Genauigkeitsanforderung gemäß WTG-Merkblatt M3

Das WTG-Merkblatt M3 bietet zwei zentrale Methoden zur Validierung von Simulationsergebnissen. Die Methode Trefferquote bewertet, wie viele der simulierten Werte Pi innerhalb einer definierten Toleranz korrekt mit den Referenzwerten Oi übereinstimmen, wobei ein binärer Klassifizierungsansatz (Treffer oder Fehltreffer) verwendet wird. Dieser Ansatz beurteilt die Zuverlässigkeit der Simulation durch die Berechnung einer Trefferquote q, ähnlich den in der Zuverlässigkeitstheorie verwendeten Vertrauensfunktionen. Im Gegensatz dazu bietet die Methode der normalisierten mittleren quadratischen Abweichung (e²) eine detailliertere Genauigkeitsbewertung, indem sie die durchschnittliche quadratische Abweichung zwischen simulierten und Referenzwerten quantifiziert und zur Berücksichtigung von Skalendifferenzen normiert. Zusammen bieten diese Methoden sowohl qualitative als auch quantitative Maße zur Validierung von Simulationen.

• 使用 WTG-Merkblatt M3 中定义的命中率方法验证模拟结果

• 使用 WTST-Merkblatt M3 中定义的归一化均方误差评估结果准确性

Ergebnisse und Diskussion

Abbildung 3 vergleicht den mittleren Druckbeiwert (Cp) aus RWIND und experimentellen Daten für verschiedene Windrichtungen. Beide zeigen eine gute Übereinstimmung in den Gesamttendenzen, einschließlich Staupunkt bei 0°, Druckabfall aufgrund der Strömungsablösung und Wiederanstieg bei größeren Winkeln. Das Minimum von Cp tritt etwa bei 60°–70° auf und wird von RWIND gut vorhergesagt. Allerdings unterschätzt RWIND die Sogwirkung im Nachlaufbereich bei größeren Windrichtungen leicht. Insgesamt deuten die Ergebnisse auf eine gute globale Genauigkeit mit nur geringen Abweichungen hin.

3 平均风压系数（Cp）与风向

Der Vergleich zwischen RWIND und den experimentellen Druckbeiwerten zeigt eine sehr gute Übereinstimmung für Windrichtungen zwischen 0° und 100°, wobei die Abweichungen unter 10 % bleiben und alle Datenpunkte sowohl die 10-%- als auch die 20-%-Trefferquotenkriterien erfüllen. Die größten Abweichungen treten im Nachlaufbereich (110°–180°) auf, wo RWIND die Sogwirkung systematisch unterschätzt, was zu höheren Abweichungen von bis zu etwa 43 % führt.

Insgesamt liegen 58 % der Ergebnisse innerhalb eines Abweichungsbereichs von 10 % (und 20 %). Die globalen Fehlerkennwerte (e² = 0.05, MAE = 0.12, RMSE = 0.16) weisen auf eine akzeptable Vorhersagegenauigkeit hin, wobei sich die Abweichung hauptsächlich auf den abgelösten Strömungsbereich konzentriert.

Tabelle 2: Vergleich des Druckbeiwerts (Cp) zwischen RWIND und experimentellen Daten

61x

9x

WTG 示例 9.5 – 圆柱形结构