Validierungsbeispiele für numerische Strömungssimulationen (CFD) anhand experimenteller Studien (Bild 1) sind ein entscheidender Schritt zur Überprüfung der Genauigkeit von Simulationsmodellen. Dieser Prozess beinhaltet einen detaillierten Vergleich zwischen den Ergebnissen von CFD-Simulationen und denen aus realen Experimenten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Simulationen zuverlässig zur Vorhersage der aerodynamischen Simulation in verschiedenen Anwendungen, von der technischen Planung bis zur Umweltanalyse, verwendet werden können. Die Validierung von CFD-Modellen anhand experimenteller Daten hilft bei der Ermittlung von Diskrepanzen und ermöglicht die Anpassung von Modellparametern, Turbulenzmodellen oder numerischen Methoden. Letztlich schafft dieser iterative Prozess Vertrauen in die Vorhersagefähigkeiten der Simulation und stellt sicher, dass das CFD-Modell reale Phänomene widerspiegeln kann.
In dem aktuellen Beispiel, das in Zusammenarbeit zwischen Dlubal Software und der RWTH Aachen entstanden ist, werden die wichtigsten Schritte zur Implementierung der CFD-Simulation in RWIND unter Verwendung experimenteller Daten beschrieben. Wir sind Prof. Frank Kemper und <nobr>Dipl.-Ing. Mirko</nobr> Friehe von der RWTH Aachen sehr dankbar für die Bereitstellung der experimentellen Windkanal-Daten und ihre unschätzbare Unterstützung während dieses Projekts.
Bild 1 und Bild 2 zeigen das Versuchsmodell, dargestellt als rechteckiges 3D-Gebäude im Windkanal. Das Hauptmodell enthält Sensoren zur Messung wichtiger Parameter wie Winddruckwerte und Winddruckkoeffizient. Die kleinen Blöcke, die das Modell umgeben, simulieren ein raues Gelände, um die Umgebungsbedingungen genau wiederzugeben.
Die Erstellung eines Validierungsbeispiels für eine CFD-Simulation (numerische Strömungsmechanik) in RWIND mit experimentellen Daten der RWTH Aachen ist ein systematischer Prozess. Hier ist eine Schritt-für-Schritt-Anleitung:
Schritt 1: Definition von Validierungszielen
- Zweck: In diesem Teil legen wir zunächst dar, warum wir diese Validierung durchführen. Übliche Ziele sind die Überprüfung der Genauigkeit der RWIND-Ergebnisse im Vergleich zu physikalischen Versuchsdaten.
- Umfang: Zu den angestrebten Ergebnissen für die Validierungen gehören Winddruckwerte an definierten Sensoren und Basiskräfte entsprechend verschiedener Windrichtungen.
Schritt 2: Sammeln von experimentellen Daten aus dem Windkanaltest
- Datenerhebung: Sammeln Sie alle notwendigen experimentellen Daten, wie Windgeschwindigkeit, Windrichtungen, Druckmessungen und alle relevanten Randbedingungen.
- Datenformat: Vergewissern Sie sich, dass die Daten in einem Format vorliegen, das RWIND verarbeiten kann, z.B. Textdateien oder Tabellenkalkulationen, und stellen Sie sicher, dass sie mit den von RWIND geforderten Einheiten und dem Maßstab übereinstimmen. Hier finden Sie einen FAQ-Link zur Eingabe experimenteller Daten in RWIND:
- Qualitätskontrolle: Überprüfen Sie die Daten auf Vollständigkeit und Richtigkeit. Stellen Sie sicher, dass die Daten den Bereich der Bedingungen abdecken, die Sie simulieren möchten.
Schritt 3: Modell-Einrichtung in RWIND
- Geometrie-Import: Erstellen oder importieren Sie die Geometrie der zu untersuchenden Struktur (z.B. ein Gebäude oder eine Brücke). Diese kann direkt in RWIND modelliert oder aus einem RFEM- oder CAD-Programm importiert werden (Bild 3).
- Randbedingungen: Verwenden Sie die gleichen Randbedingungen wie im Versuchsaufbau. Dazu gehören die Angabe der Windgeschwindigkeit, der Turbulenzintensität und anderer erforderlicher Faktoren (Bild 4).
- Vernetzung: Generieren Sie ein für Ihre Studie geeignetes Berechnungsnetz (Bild 5). In 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, solange die Ergebnisse annähernd gleich sind.
Außerdem muss die rechnerische Netzstudie gemäß folgendem Link durchgeführt werden:
Schritt 4: Ausführen der Simulation
- Erster Testlauf: Beginnen Sie mit einem Testlauf, um eventuelle Probleme mit der Einrichtung zu ermitteln. Überprüfen Sie die Netzqualität, die Randbedingungen und eventuelle Konvergenzprobleme.
- Vollständige Simulation: Wenn der Testlauf erfolgreich war, fahren Sie mit der vollständigen Simulation fort. Überwachen Sie die Simulation auf Konvergenz und Stabilität und nehmen Sie bei Bedarf 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: Verwenden Sie die Nachbearbeitungswerkzeuge von RWIND, um die Strömungsmuster und Druckverteilungen zu visualisieren. Erstellen Sie Plots, Diagramme oder 3D-Visualisierungen, um die Ergebnisse besser zu interpretieren.
Schritt 6: Vergleich der Ergebnisse mit experimentellen Daten
- Datenabgleich: Stellen Sie sicher, dass die Simulations- und Versuchsdaten in Bezug auf räumliche Lage, Einheit und Maßstab übereinstimmen.
- Statistische Analyse: Führen Sie einen statistischen Vergleich zwischen den Simulations- und Versuchsdaten durch. Berechnen Sie Abweichungsmetriken wie Korrelationskoeffizienten, um die Genauigkeit zu quantifizieren.
Hier finden sich die resultierenden Basiskräfte entsprechend den verschiedenen Windrichtungen, wie sie in RWIND analysiert und mit einer experimentellen Studie verglichen wurden (Bild 6). Für die Berechnungen der Basiskräfte wurde das k-Epsilon-Turbulenzmodell verwendet, das sowohl niedrige als auch hohe Turbulenzintensitäten berücksichtigt. Die Ergebnisse mit höherer Turbulenzintensität stimmten mit einer Abweichung von etwa 6 % besser mit der experimentellen Untersuchung überein.
Der zweite Parameter sind die Winddruckwerte, die sowohl in der numerischen als auch in der experimentellen Studie an den Messpunkten berechnet wurden (Bild 7). In RWIND wurden die Standardmodelle k-epsilon und k-omega SST verwendet, um diese Winddruckwerte mit den experimentellen Ergebnissen zu vergleichen. Die statistische Analyse zeigt, dass das k-omega-SST-Modell einen näheren Trend zu den experimentellen Ergebnissen aufweist, wie der Korrelationskoeffizient (R=0,98) und das Bestimmtheitsmaß (R2=0,96) in Bild 8 verdeutlichen.
Schritt 8: Dokumentation und Protokollierung
Dokumentieren Sie den gesamten Validierungsprozess, einschließlich Einrichtung, Simulationsparameter, Vergleichsmethodik und Ergebnisse. Heben Sie alle Abweichungen von den experimentellen Daten und mögliche Ursachen hervor. Geben Sie Einblicke in die Genauigkeit des CFD-Modells und schlagen Sie bei Bedarf Verbesserungen oder weitere Validierungsschritte vor.
