In diesem Beitrag wird die Modellierung einer Karmanschen Wirbelstraße in RWIND beschrieben.
Für bestimmte Reynoldszahlenbereiche bildet sich hinter Objekten, die schmal, aber hoch sind, eine Straße an Wirbeln aus. Gerade in Gebieten mit vielen Hochhäusern und dem Trend zu schmaleren Wolkenkratzern können diese Wirbel Einflüsse auf die Windlasten der umliegenden Gebäude haben. Nachfolgend ist Wirbelausbildung in Abhängigkeit der Reynoldszahl nach [1] dargestellt.
Die bekannte Wirbelstraße bildet sich etwa ab einer Reynoldszahl von 100 aus. Steigt diese Zahl zu hoch wird die Strömung turbulent. Bislang konnte nur in einem zu hohen Reynoldszahlbereich zufriedenstellende Ergebnisse erreicht werden. Nachfolgend ist ein Beispiel bei Re=10e7 abgebildet.
Die Anströmgeschwindigkeit musste also wesentlich höher als berechnet angesetzt werden um das gewünschte Verhalten auszulösen. Eine genaue Grenzgeschwindigkeit könnte theoretisch identifiziert werden, würde allerdings viele Einzelsimulationen (selbst bei linear ansteigendem Windprofil) erfordern was aus Zeitgründen verworfen wurde. Darüber hinaus scheint die Ablösefrequenz der Wirbel nicht der Theorie zu entsprechen. Da die Ablösefrequenz von der Strouhalzahl und damit der Anströmgeschwindigkeit abhängt war dieses Verhalten aber zu erwarten.
Der wohl wichtigste Einflussfaktor für eine korrekte Ausbildung einer Wirbelstraße ist die Netzdichte. Um Ressourcen zu sparen wird in RWIND die Netzdichte mit zunehmender Entfernung im Windkanal vom untersuchten Objekt reduziert. Diese Vereinfachung ist für einzelne Gebäude sehr sinnvoll, erschwert aber die Modellierung der Karmanschen Wirbelstraße. Daher ist eine Netzverdichtung z.B. eines Ausschnitts über die Höhe des Körpers auf voller Länge des Windkanals, beginnend mit Tiefe des Körpers sinnvoll. Nachfolgend wurde der Einfluss einer solchen Verdichtung dargestellt.
Im Rahmen dieser Untersuchung nicht betrachtet wurde inwieweit eine Netzverdichtung einen Einfluss auf die letztendlichen Drücke umgebender Gebäude nimmt. Zukünftige Modellierungen könnten dies untersuchen.
Mit angepasster Farbgebung und mit verdichtetem Netz ergibt sich das nachfolgende Bild. Die leicht gekippte Ansicht ermöglicht eine bessere Unterscheidung der verschiedenen Rottöne.
Interessant sind dabei die Richtung der Geschwindigkeitsvektoren. Die größte Verwirbelung direkt hinter dem Körper zeigt die gewünschte chaotisch wirkende Verteilung der Richtungsvektoren wie es bei einem Wirbel zu erwarten wäre. Die kleineren Wirbel in größerer Entfernung des Körpers zeigen dieses Verhalten aber nicht. Das Falschfarbenbild der betragsmäßigen Geschwindigkeitsverteilung lässt zwar kleinere Wirbel vermuten, jedoch zeigen alle Richtungsvektoren in Richtung der Anströmung. Strömungsmechanisch ist dieses Verhalten unsinnig, eine konkrete Ursache kann aber nicht ausgemacht werden.
Eine weitere Optimierung der Wirbelstraße wäre mit einem noch feineren Netz durchaus möglich. Denkbar wäre zudem, dass eine noch feinere Verdichtung auch die Anomalie der Richtungsvektoren beheben könnte. Allerdings schlägt sich das dann in einem deutlich höheren Speicher- und Rechenbedarf. Eine Netzverdichtung, die so klein wie möglich, aber so groß wie nötig ist wäre dabei ratsam. Das obere Drittel des Zylinders mit hinreichendem Abstand zu den obersten Knoten wäre dafür vermutlich am besten geeignet.
In Summe zeigt die modellierte Wirbelstraße relativ gute Ergebnisse hinsichtlich des Geschwindigkeits- und damit Druckprofils. In detaillierten Punkten wie der Richtungsvektorenverteilung sowie der Emissionsfrequenz scheitert der hier vorgestellte Ansatz vermutlich an den Limitationen des Solvers selbst. Es empfiehlt sich eine Wiederholung dieser Berechnung mit neueren Versionen von RWIND.