Validierungsbeispiele für Computational Fluid Dynamics Simulations (CFD) anhand einer experimentellen Studie (Bild 1) sind ein entscheidender Schritt, um die Genauigkeit von Simulationsmodellen zu überprüfen. Dieser Prozess beinhaltet einen detaillierten Vergleich der Ergebnisse aus CFD-Simulationen mit denen, die aus realen Experimenten abgeleitet wurden. Es stellt sicher, dass die Simulationen zuverlässig für die Vorhersage der aerodynamischen Simulation in verschiedenen Anwendungen, vom Entwurf bis zur Umweltanalyse, verwendet werden können. Die Validierung von CFD-Modellen anhand experimenteller Daten hilft, Unstimmigkeiten zu erkennen und ermöglicht Anpassungen von Modellparametern, Turbulenzmodellen oder numerischen Methoden. Letztendlich stärkt dieser iterative Prozess Vertrauen in die Vorhersagefähigkeiten der Simulation' und stellt sicher, dass das CFD-Modell reale Phänomene widerspiegeln kann.
Im aktuellen Beispiel, das in Zusammenarbeit von Dlubal Software und der RWTH Aachen durchgeführt wurde, werden die wesentlichen Schritte zur Implementierung der CFD-Simulation in RWIND anhand experimenteller Daten erläutert. Wir schätzen Prof. Frank Kemper und Dipl.-Ing. Mirko Friehe von der FH Aachen für die Bereitstellung der experimentellen Windkanaldaten und ihre unschätzbare Unterstützung während des gesamten Projekts. Die Bilder 1 und 2 zeigen das experimentelle Modell, dargestellt als dreidimensionales rechteckiges Gebäude im Windkanal. Im Hauptmodell sind Sensoren enthalten, die wichtige Parameter wie die Winddruckwerte und den Winddruckbeiwert messen. Die kleinen Blöcke, die das Modell umgeben, simulieren ein raues Gelände, um die Umgebungsbedingungen korrekt wiederzugeben.
Die Erstellung eines Validierungsbeispiels für eine CFD-Simulation (Computational fluid dynamics) in RWIND anhand der experimentellen Daten der FH Aachen ist ein systematischer Prozess. Hier finden Sie eine Schritt-für-Schritt-Anleitung: === Schritt 1: Festlegung der Validierungsziele === * '''Zweck''' : In diesem Teil legen wir fest, warum wir diese Validierung durchführen. Gemeinsame Ziele sind es, die Genauigkeit der RWIND-Ergebnisse im Vergleich zu physikalischen experimentellen Daten zu überprüfen. * '''Umfang''' : Zu den angestrebten Ergebnissen für die Validierungen gehören Winddruckwerte an definierten Sensoren und Basiskräfte entsprechend verschiedener Windrichtungen. === Schritt 2: Sammeln experimenteller Daten aus dem Windkanalversuch === * '''Datenakquise''' : Sammeln Sie alle notwendigen experimentellen Daten wie Windgeschwindigkeiten, Windrichtungen, Druckmessungen und relevante Randbedingungen. * '''Datenformat''' : Stellen Sie sicher, dass die Daten in einem Format vorliegen, das RWIND verarbeiten kann, z. B. Textdateien oder Tabellenkalkulation, und bestätigen Sie, dass sie mit den von RWIND geforderten Einheiten und Skalierungen übereinstimmen. Hier finden Sie einen FAQ-Link zur Eingabe experimenteller Daten in RWIND: * '''Qualitätssicherung''' : Überprüfen Sie die Daten auf Vollständigkeit und Genauigkeit. Stellen Sie sicher, dass die Daten den Bereich an Bedingungen abdecken, die Sie simulieren möchten. === Schritt 3: Modellaufbau in RWIND === * '''Geometrieimport''' : Erzeugen oder importieren Sie die Geometrie des zu untersuchenden Tragwerks (z. B. Gebäude oder Brücke). Dieses kann direkt in RWIND modelliert oder aus RFEM bzw. CAD-Programm importiert werden (Bild 3). * '''Randbedingungen''' : Es gelten die gleichen Randbedingungen wie im Versuchsaufbau. Dabei sind die Windgeschwindigkeit, die Turbulenzintensität usw. festzulegen (Bild 4). * '''Vernetzung''' : Generieren Sie ein für Ihre Studie geeignetes Berechnungsnetz (Bild 5). Bei diesem Schritt wird die Geometrie in kleinere Elemente diskretisiert, die RWIND für die Berechnungen verwendet. Stellen Sie sicher, dass das Netz in Bereichen mit hohen Gradienten (wie um Kanten oder Flächen mit erwarteter turbulenter Strömung) fein genug ist. Wiederholen Sie die Berechnung mit zunehmender Netzdichte so lange, bis die Ergebnisse annähernd gleich sind. === Schritt 4: Simulation ausführen === * '''Erster Testlauf''' : Starten Sie mit einem Testlauf, um eventuelle Probleme mit dem Setup zu identifizieren. Überprüfen Sie die Netzqualität, Randbedingungen und Konvergenzprobleme. * '''Volle Simulation''' : Nach einem erfolgreichen Testlauf können Sie mit der vollständigen Simulation fortfahren. Kontrollieren Sie die Simulation auf Konvergenz und Stabilität und nehmen Sie gegebenenfalls Anpassungen vor. === Schritt 5: Nachbearbeitung der Ergebnisse === * '''Datenextrahierung''' : Exportieren Sie die Simulationsergebnisse einschließlich resultierender Windkraft und Druckverteilungen für definierte Messpunkte aus RWIND, um sie mit experimentellen Daten zu vergleichen. * '''Visualisierung''' : Mit den Nachbearbeitungstools von RWIND können Sie die Strömungsmuster und Druckverteilungen visualisieren. Erstellen Sie Plots, Graphen oder 3D-Visualisierungen, um die Ergebnisse besser zu interpretieren. === Schritt 6: Ergebnisse mit experimentellen Daten vergleichen === * '''Datenabgleich''' : Stellen Sie sicher, dass die simulations- und experimentellen Daten in Bezug auf räumliche Positionen, Einheiten und Skalierungen aufeinander abgestimmt sind. * '''Statistische Analyse''' : Führen Sie einen statistischen Vergleich zwischen Simulations- und experimentellen Daten durch. Berechnen Sie Abweichungsmetriken wie Korrelationskoeffizienten, um die Genauigkeit zu quantifizieren. Hier sind die resultierenden Basiskräfte nach verschiedenen Windrichtungen, wie sie in RWIND analysiert und mit einer experimentellen Studie verglichen wurden (Bild 6). Für die Eigenkraftberechnungen wurde das k-epsilon Turbulenzmodell verwendet, wobei sowohl niedrige als auch hohe Turbulenzintensitäten berücksichtigt wurden. Die Ergebnisse mit höherer Turbulenzintensität lagen mit einer Abweichung von ca. 6 % näher an der experimentellen Studie. Der zweite Parameter sind die Winddruckwerte, die an Messpunkten sowohl in der numerischen als auch in der experimentellen Studie berechnet wurden (Bild 7). In RWIND wurden die Standard-k-epsilon- und k-omega SST-Modelle verwendet, um diese Winddruckwerte mit den experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Die statistische Analyse zeigt, dass das k-omega SST-Modell gemäß dem Korrelationskoeffizienten (R = 0,98) und dem Determinationskoeffizienten (R2 =0,96) in Bild 8 einen näheren Trend zu den experimentellen Ergebnissen liefert.
