简介
随着计算方法的不断发展，计算流体动力学 (CFD) 已成为结构风工程中风洞测试的有前途的替代或补充方法。然而，为了让CFD在工程师、权威机构和审稿人中得到广泛接受，必须通过严格的验证和校准程序来确保其可靠性。本文概述了这些过程的关键步骤和原则。
根据EN 1991-1-4第1.5节，数值模拟可以作为计算和物理风洞试验的补充，只要它们是经过证明和/或适当验证的。这使得工程师可以使用精确的模型获取结构和自然风环境的可靠荷载和响应信息。同样，ASCE 7-22通过参考ASCE 49认识到，虽然CFD在风工程中应用越来越广泛，但其使用必须受到严格控制。由于目前没有专门的标准来详细说明在此背景下CFD的完整程序，ASCE强调任何应用于确定主要抗风力系统 (MWFRS)、组件和覆层 (C&C) 或其他结构风荷载的CFD应用必须经过同行评审和验证与验证 (V&V) 研究，以确保结果的准确性和可靠性。
1. 为什么需要验证和校准
CFD仿真对许多因素高度敏感，包括：
- 湍流模型
- 流入边界条件
- 网格质量和分辨率
- 求解器设置和数值方案
如果没有适当的验证和校准，CFD结果可能在视觉上看起来令人信服，但在实际结构应用中可能会产生误导或不保守的结果。EN 1991-1-4和ASCE 7-22都承认数值方法（如CFD）在确定风荷载方面的潜力，前提是这些方法经过适当验证和验证。
2. 验证 vs. 验证 vs. 校准：定义
区分这些术语是至关重要的，因为它们通常被互换使用：
- 验证 确保CFD模型正确地求解方程（即代码和数值设置没有错误）。
- 验证 评估模型是否准确表示现实世界系统的物理行为（通常通过与风洞或全尺寸数据比较）。
- 校准 涉及调整模型参数以使CFD结果与已知或测量的数据对齐。
3. 验证程序
验证包括检查：
- 网格是否足够精细（网格敏感性研究）
- 时间步长和数值方案是否适当
- 边界条件是否正确实施
- 求解器是否一致收敛
这包括：
- 网格收敛指数 (GCI) 分析
- 残差监测和时间平均稳定性检查
- 代码对代码比较（与可信求解器的基准测试）
4. 使用实验数据和标准进行验证
CFD接受的最关键方面是与物理测试结果的验证，例如：
- 风洞测量
- 全尺寸现场监测（如压力孔、风速仪）
关键步骤包括：
- 重现测试设置：几何形状、地形粗糙度、流入湍流必须与实验匹配。
- 比较感兴趣的量：平均和峰值压力系数、力/矩系数或流场特征。
- 统计分析：使用RMS误差、相关系数或标准化偏差度量，如：
验证应针对特定结构，特别是对于典型和不规则几何形状，如：
- 与亚琛工业大学合作的天线示例
- 基于设计规范（EN 1991-1-4、ASCE/SEI 7、NBC 2020）和实验研究（TPU、AIJ）中定义的典型形状
5. 校准策略
如果在验证后存在轻微偏差，可以通过调整来进行校准：
- 流入湍流强度和长度尺度
- 湍流模型常数（谨慎使用）
- 表面粗糙度和壁面函数
然而，必须避免过度校准，因为它可能导致针对单个案例而不可靠的模型。
6. 文档记录和可追溯性
为了CFD结果被建筑主管部门或认证工程师接受，过程必须是：
- 透明的: 所有输入参数、求解器设置和假设应记录
- 可重复的: 其他专家应能够重现结果
- 可追溯的: 验证案例必须链接到已发布的基准或实验参考
7. 集成到结构设计工作流
最后，CFD被接受用于结构荷载确定需要：
- CFD输出（如压力分布）必须传输到FEM软件（如RFEM）
- 荷载组合必须遵循LRFD或EN设计组合
- 压力数据必须代表统计上有效的风作用（如50年重现期）
结论
CFD在风工程的未来有着巨大的前景，提供成本效益高、灵活和详细的空气动力学行为洞察。然而，其接受完全依赖于有纪律的验证、稳健的验证和谨慎的校准。当系统地执行时，CFD可以成为“通过分析设计”的可信组件，得到标准和工程最佳实践的支持。