如何在 RWIND 中进行验算示例

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创建计算流体力学 (CFD) 验证示例是确保模拟结果准确性和可靠性的关键步骤。 此过程涉及将 CFD 模拟的结果与实际场景中的实验或分析数据进行比较。 目的是确保 CFD 模型能够如实地再现它将要模拟的物理现象。 本指南将概述为 CFD 模拟开发验证示例的基本步骤,从选择合适的物理场景到分析和比较结果。 工程师和研究人员只要认真遵循这些步骤,就可以提高 CFD 模型的可靠性,为其在空气动力学、航空航天和环境研究等领域的有效应用铺平道路。

创建用于风能工程应用中流体动力学(CFD)模拟的验证示例包括根据风流的复杂性及其与结构和环境之间的相互作用的复杂性量身定制的几个特定步骤。 这里'是一个逐步指南:

1. 定义风工程问题

  • 您可以清楚地指定所模拟的风工程场景,例如建筑物、桥梁或其他结构周围的风流。
  • 包括地形、大气边界层特征和任何相关的环境因素的详细信息。

2. 选择合适的基准工况

  • 您可以选择包含大量可靠实验或现场数据的风工程案例研究。 这可以是风洞测试或全尺寸测量。
  • 案例应该在几何形状、比例和风的情况方面与您的设计方案非常相似。

在我们当前的研究中,选择 Journal of Wind Engineering 上的学术论文 [1] 作为基准案例。 模型如图1所示:

3. 开发 CFD 模型

  • 几何尺寸:创建结构和周围地形的数字模型。 对于建筑物,则包括形状、外墙特征和附近结构等详细信息。
  • 网格划分:生成能够准确捕捉几何形状的网格,特别注意预期会有高流动梯度的区域,例如结构的拐角和边缘。
  • 边界和初始条件:设置反映不同高度、温度变化和压力条件的风廓线(风速和方向)的边界条件。
  • 求解器设置:选择在风工程模拟中具有出色性能的求解器和湍流模型(例如 k-ε 或大湍流模拟)。

初始假设如表1所示。

表 1: 尺寸比和输入数据
基本风速 V 10,13 m/s
平均屋面高度 [SCHOOL.] 6 m
水平尺寸(边距) α 6 m
屋面角钢 θ屋面 0
空气密度 - RWIND ρ 1.25 kg/m3
风荷载方向 θwind 0
湍流模型 - RWIND 稳态 RANS k-ω SST <现在wiki>- <现在wiki>-
运动粘度 (公式 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND ν 1.5*10-5 m2/秒
方案阶数 - RWIND 第一和第二 <现在wiki>- <现在wiki>-
残余目标值 - RWIND 10-4 <现在wiki>- <现在wiki>-
残余类型 - RWIND 压强 <现在wiki>- <现在wiki>-
最小迭代数 - RWIND 800 <现在wiki>- <现在wiki>-
边界层 - RWIND NL 10 <现在wiki>-
墙面函数类型 - RWIND 增强/混合 <现在wiki>- <现在wiki>-

4. 运行模拟

  • 进行模拟时考虑稳态和瞬态分析,因为风流可以具有显着的时间变化。
  • 请确保模拟运行足够长的时间,以便捕捉结构周围的相关流动动力学。

5. 验证过程

  • 与基准数据比较: 将模拟结果与基准案例数据进行对比,重点检查风速剖面、结构上的压力分布和湍流强度等参数。
  • 误差分析:进行定量分析,以评估您的模拟数据与基准数据之间的差异。
  • 灵敏度分析:测试网格密度、边界条件和湍流模型的变化对结果有何影响。

当前示例的灵敏度分析如图2所示。 研究了四种不同网格的总阻力的结果。 网格独立性达到160万个单元。

6. 文档

  • 完整记录您的设计方法,其中包括假设、边界条件和所有相关设置。
  • 并将您的结果与基准数据进行详细比较,突出显示一致和差异。

7. 迭代细化

  • 如果与基准数据存在显着差异,请优化模型。 这可能涉及调整网格分辨率、修改湍流模型或修改边界条件。
  • 重复模拟和验证过程,直到模型可以可靠地预测风的流动特性。

8. 风能工程应用的注意事项

  • 风工程 CFD 模拟通常需要考虑复杂现象,例如低失稳、不振和尾流效应。
  • 城市拓扑、地形影响和大气稳定性条件都会对风流产生显着影响,因此在模型中应考虑这些因素。

9. 结果

图 5 显示了 RWIND 中的简化和精确网格划分方法,以及数值格式的第一和第二种方法,使用稳态模拟计算 Cp 平均值的方法。 其结果表明,数值方法和实验方法之间的一致性很好。 图 3 和图 4 显示了通过指定线在垂直和水平方向上的平均 Cp 值。

10. 结束语

该验证过程对于确保您的 CFD 模型能够准确反映工程应用中风流的复杂性至关重要。 这有助于提高用户对模拟结果的信心,该结果可用于设计决定、安全评估或进一步的研究研究。 验证模型可以在这里下载:

作者

Mahyar Kazemian, M.Sc.

Mahyar Kazemian, M.Sc.

市场营销与产品工程

Kazemian 先生负责 Dlubal 软件的产品开发和营销,尤其是 RWIND 2 程序。

参考文献

[1]   Richards, P., R. Hoxey, and L. Short, Wind pressures on a 6 m cube. Journal of Wind engineering and industrial aerodynamics, 2001. 89(14-15): p. 1553-1564.

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