Dieser Leitfaden beschreibt die wesentlichen Schritte zur Entwicklung eines Validierungsbeispiels für CFD-Simulationen – von der Auswahl eines geeigneten physikalischen Szenarios bis zur Analyse und zum Vergleich der Ergebnisse. Durch die sorgfältige Befolgung dieser Schritte können Ingenieure und Forschende die Glaubwürdigkeit ihrer CFD-Modelle erhöhen und so den Weg für deren effektive Anwendung in verschiedenen Bereichen wie Aerodynamik, Luft- und Raumfahrt sowie Umweltstudien ebnen.
Die Erstellung eines Validierungsbeispiels für Strömungssimulationen mit der Computational Fluid Dynamics (CFD) in Windingenieur-Anwendungen umfasst mehrere spezifische Schritte, die auf die Komplexität der Windströmung und ihre Wechselwirkungen mit Bauwerken und Umgebungen zugeschnitten sind. Nachfolgend finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung:
1. Windingenieur-Problem definieren
- Beschreiben Sie das Windingenieur-Szenario, das Sie simulieren, eindeutig, z. B. die Windströmung um Gebäude, Brücken oder andere Bauwerke.
- Fügen Sie Angaben zum Gelände, zu den Eigenschaften der atmosphärischen Grenzschicht und zu allen relevanten Umgebungsfaktoren hinzu.
2. Geeigneten Benchmark-Fall auswählen
- Wählen Sie eine gut dokumentierte Fallstudie aus dem Bereich der Windingenieurwissenschaften mit zuverlässigen experimentellen oder Felddaten. Dies können Windkanalversuche oder Messungen im Realmaßstab sein.
- Der Fall sollte Ihrem Szenario hinsichtlich Geometrie, Maßstab und Windbedingungen möglichst ähnlich sein.
Für unsere aktuelle Studie wurde der wissenschaftliche Artikel [1] aus dem Journal of Wind Engineering als Benchmark-Fall ausgewählt. Das Modell ist in Bild 1 dargestellt:
3. CFD-Modell entwickeln
- Geometrie: Erstellen Sie ein digitales Modell der Struktur und des umgebenden Geländes. Bei Gebäuden sollten Details wie Form, Fassadenelemente und benachbarte Bauwerke berücksichtigt werden.
- Vernetzung: Erzeugen Sie ein Netz, das die Geometrie präzise abbildet, mit besonderer Aufmerksamkeit für Bereiche, in denen hohe Strömungsgradienten zu erwarten sind, wie Ecken und Kanten von Bauwerken.
- Rand- und Anfangsbedingungen: Legen Sie Randbedingungen fest, die das Windprofil (Geschwindigkeit und Richtung) in unterschiedlichen Höhen, Temperaturvariationen und Druckbedingungen widerspiegeln.
- Lösereinstellungen: Wählen Sie geeignete Solver und Turbulenzmodelle (z. B. k-ε oder Large Eddy Simulation), die sich bei Windingenieur-Simulationen als leistungsfähig erwiesen haben.
Die Anfangsannahmen sind in Tabelle 1 dargestellt.
| Grundwindgeschwindigkeit | V | 10.13 | m/s |
| Dachhöhe | h | 6 | m |
| Horizontale Abmessung | α | 6 | m |
| Dachwinkel | θroof | 0 | Grad |
| Luftdichte – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Windrichtungen | θwind | 0 | Grad |
| Turbulenzmodell – RWIND | Stationäres RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematische Viskosität (Gleichung 7.15, EN 1991-1-4) – RWIND | ν | 1.5*10-5 | m2/s |
| Schemaordnung – RWIND | Erste und zweite | - | - |
| Zielwert der Residuen – RWIND | 10-4 | - | - |
| Residuentyp – RWIND | Druck | - | - |
| Mindestanzahl der Iterationen – RWIND | 800 | - | - |
| Grenzschicht – RWIND | NL | 10 | - |
| Typ der Wandfunktion – RWIND | Standard | - | - |
4. Simulation ausführen
- Führen Sie Simulationen unter Berücksichtigung sowohl stationärer als auch transienter Analysen durch, da die Windströmung erhebliche zeitliche Variationen aufweisen kann.
- Stellen Sie sicher, dass die Simulation lange genug läuft, um die relevanten Strömungsphänomene um die Bauwerke zu erfassen.
5. Validierungsprozess
- Vergleich mit Benchmark-Daten: Vergleichen Sie Ihre Simulationsergebnisse mit den Daten des Benchmark-Falls, wobei Sie sich auf Parameter wie Windgeschwindigkeitsprofile, Druckverteilung auf Bauwerken und Turbulenzintensität konzentrieren.
- Fehleranalyse: Führen Sie eine quantitative Analyse durch, um Abweichungen zwischen Ihrer Simulation und den Benchmark-Daten zu bewerten.
- Sensitivitätsanalyse: Testen Sie, wie sich Änderungen der Netzdichte, der Randbedingungen und der Turbulenzmodelle auf Ihre Ergebnisse auswirken.
Für das aktuelle Beispiel ist die Sensitivitätsanalyse gemäß Bild 2 dargestellt. Die Ergebnisse der gesamten Widerstandskräfte werden für sechs verschiedene Netzgrößen untersucht. Die Netzunabhängigkeit wird bei 1,6 Millionen Zellen (Mesh #4) erreicht. In der CFD hilft eine Grid-Konvergenzstudie dabei, die optimale Netzgröße (Mesh #4) zu finden, bei der die Simulationsergebnisse (z. B. Widerstandskraft) netzunabhängig werden. Die Verwendung eines zu groben Netzes wie Mesh #1 kann zu ungenauen Ergebnissen führen, während zu feine Netze numerische Fehler verursachen und die Rechenzeit erhöhen können, wie in Mesh #6 in Bild 2 gezeigt.
Um das optimale Netz zu bestimmen, das sowohl Genauigkeit als auch Gitterunabhängigkeit gewährleistet, wird empfohlen, mindestens drei verschiedene Netzgrößen zu bewerten. Wenn sich die Ergebnisse bei feineren Netzen stabilisieren, gilt die Lösung als zuverlässig und unabhängig von der Netzdichte. Es wird außerdem empfohlen, wichtige Referenzen wie ASCE 7-22 Kapitel C31 - Wind Tunnel Procedure, Yeo, D. 2020 [2], und Roache [3] zu konsultieren.
6. Dokumentation
- Dokumentieren Sie Ihre Methodik ausführlich, einschließlich der Annahmen, Randbedingungen und aller relevanten Einstellungen.
- Fügen Sie einen detaillierten Vergleich Ihrer Ergebnisse mit den Benchmark-Daten hinzu und heben Sie dabei sowohl Übereinstimmungen als auch Abweichungen hervor.
7. Iterative Verfeinerung
- Wenn es erhebliche Abweichungen von den Benchmark-Daten gibt, verfeinern Sie Ihr Modell. Dies kann die Anpassung der Netzauflösung, die Änderung von Turbulenzmodellen oder die Überarbeitung der Randbedingungen umfassen.
- Wiederholen Sie den Simulations- und Validierungsprozess, bis das Modell das Windströmungsverhalten zuverlässig vorhersagt.
8. Aspekte für Windingenieur-Anwendungen
- CFD-Simulationen in der Windingenieurwissenschaft müssen häufig komplexe Phänomene wie Wirbelablösung, Böen und Nachlaufeffekte berücksichtigen.
- Urbane Topologie, Geländeeffekte und Bedingungen der atmosphärischen Stabilität können die Windströmung erheblich beeinflussen und sollten, sofern relevant, im Modell berücksichtigt werden.
9. Ergebnisse
Das Diagramm des durchschnittlichen Cp-Werts unter Verwendung der stationären Simulation wird für die vereinfachte und die exakte Netzerzeugungsmethode in RWIND sowie für die erste und zweite Methode des numerischen Schemas erstellt. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den experimentellen und numerischen Methoden im Hinblick auf Referenz [1]. Bilder 3 und 4 zeigen den durchschnittlichen Cp-Wert entlang einer festgelegten Linie in vertikaler und horizontaler Richtung.
10. Fazit
Dieser Validierungsprozess ist entscheidend, um sicherzustellen, dass Ihr CFD-Modell die Komplexität der Windströmung in Ingenieuranwendungen präzise abbildet. Er trägt dazu bei, Vertrauen in die Simulationsergebnisse aufzubauen, die anschließend für Konstruktionsentscheidungen, Sicherheitsbewertungen oder weitere Forschungsarbeiten verwendet werden können. Das Validierungsmodell kann hier heruntergeladen werden:
