Vytvoření validačního příkladu pro výpočetní simulaci dynamiky tekutin (CFD) v aplikacích větrného inženýrství zahrnuje několik specifických kroků přizpůsobených složitosti proudění větru a jeho interakci s konstrukcemi a prostředím. Zde je návod krok za krokem:
1. Zadání problému zatížení větrem
- Zadejte jasně scénář zatížení větrem, který chcete simulovat, například obtékání budov, mostů nebo jiných konstrukcí větrem.
- Zahrňte podrobnosti o terénu, charakteristikách mezní vrstvy atmosféry a příslušných faktorech prostředí.
2. Výběr vhodného modelového případu
- Vyberte si dobře zdokumentovanou případovou studii zatěžování větrem se spolehlivými experimentálními nebo terénními daty. Může se jednat o zkoušky ve větrném tunelu nebo o měření v reálu.
- Případ by se měl co do geometrie, měřítka a větrných podmínek velmi podobat vašemu scénáři.
Pro naši aktuální studii jsme jako modelový příklad vybrali vědeckou práci [1] z časopisu Journal of Wind Engineering. Model je znázorněn na obrázku 1:
3. Vytvoření CFD modelu
- Geometrie: Vytvořte digitální model konstrukce a okolního terénu. U budov zahrňte detaily jako tvar, prvky fasády a okolní konstrukce.
- Síťování: Vygenerujte síť, která přesně zachytí geometrii, se zvláštním zřetelem na oblasti, kde se očekávají velké gradienty proudění, jako jsou rohy a okraje konstrukcí.
- Okrajové a počáteční podmínky: Nastavte okrajové podmínky, které odrážejí profil větru (rychlost a směr) v různých výškách, teplotních a tlakových poměrech.
- Nastavení řešiče: Vyberte vhodné řešiče a modely turbulence (např. k-ε nebo LES), o kterých je známo, že fungují dobře při simulacích větru.
Výchozí předpoklady jsou uvedeny v tabulce 1.
| Tabulka 1: Rozměrový poměr a vstupní údaje | |||
| Základní rychlost větru | V | 10,13 | m/s |
| Střední výška střechy | h | 6 | m |
| Vodorovná vzdálenost (vzdálenost od okraje) | α | 6 | m |
| Úhel střechy | θstřechy | 0 | o |
| Hustota vzduchu - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Směry větru | θVítr | 0 | o |
| Model turbulence - RWIND | Stacionární výpočet RANS k-ω SST | - | - |
| Kinematická viskozita (rovnice 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Řád schémat - RWIND | První a druhý | - | - |
| Cílová reziduální hodnota - RWIND | 10-4 | - | - |
| Typ rezidua - RWIND | Tlak | - | - |
| Minimální počet iterací - RWIND | 800 | - | - |
| Mezní vrstva - RWIND | NL | 10 | - |
| Typ stěnové funkce - RWIND | Vylepšená / Smíšená | - | - |
4. Spuštění simulace
- Provádějte stacionární i nestacionární analýzu, protože proudění větru se může v čase značně měnit.
- Zajistěte, aby simulace probíhala dostatečně dlouho, aby byla zachycena příslušná dynamika proudění okolo konstrukcí.
5. Proces validace
- Porovnání s daty modelového případu: Porovnejte výsledky své simulace s daty modelového případu a zaměřte se na parametry, jako jsou profily rychlosti větru, rozložení tlaku na konstrukci a intenzita turbulence.
- Chybová analýza: Proveďte kvantitativní analýzu pro posouzení rozdílů mezi simulací a daty modelového případu.
- Analýza citlivosti: Vyzkoušejte, jak změny hustoty sítě, okrajových podmínek a modelů turbulence ovlivní vaše výsledky.
V našem příkladu je analýza citlivosti znázorněna na obrázku 2. Výsledky celkových odporových sil jsou zkoumány pro čtyři různé hustoty sítě. Nezávislost na síti je dosažena při 1,6 milionu buněk.
6. Dokumentace
- Důkladně zdokumentujte svou metodiku včetně předpokladů, okrajových podmínek a všech příslušných nastavení.
- Zahrňte podrobné porovnání vašich výsledků s údaji z modelového případu a zvýrazněte shody i nesrovnalosti.
7. Iterační zahuštění
- Pokud existují výrazné odchylky od referenčních údajů, je třeba model zpřesnit. To může zahrnovat úpravu hustoty sítě prvků, úpravu modelů turbulence nebo úpravu okrajových podmínek.
- Opakujte proces simulace a validace, dokud model spolehlivě nepředpovídá chování proudění větru.
8. Doporučení pro modelování větru
- CFD simulace pro modelování proudění větru často potřebují zohlednit složité jevy, jako je odtrhávání vírů, třepetání a jevy v úplavu.
- Městská topologie, vlivy terénu a podmínky atmosférické stability mohou výrazně ovlivnit proudění větru a měly by být v případě potřeby zahrnuty do modelu.
9. Výsledky
Pro zjednodušenou a přesnou síť a pro numerické schéma prvního a druhého řádu je zobrazen diagram průměrné hodnoty Cp ze stacionární simulace v programu RWIND. Výsledky ukazují dobrou shodu mezi experimentální a numerickou metodou s ohledem na odkaz [1]. Na obrázcích 3 a 4 je znázorněna průměrná hodnota Cp podél zadané linie ve svislém a vodorovném směru.
10. Závěr
Tento proces validace je rozhodující pro zajištění toho, aby váš CFD model přesně modeloval složitosti proudění větru v inženýrských aplikacích. Pomáhá při stavění důvěry ve výsledky simulace, které lze následně použít pro návrhová rozhodnutí, posouzení bezpečnosti nebo pro další výzkumné studie. Validační model je k dispozici ke stažení zde:
