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2025-02-18

VE0309 | Ensayo de capa límite atmosférica

Descripción del trabajo

Este ejemplo se basa en el ensayo de la capa límite atmosférica (ABL) del documento de la aerogenerador alemana: Ficha técnica del Comité 3 - Simulación numérica de flujos de viento, capítulo 9.1 (véanse las referencias). Antes de cada simulación numérica, se debe comprobar si la capa límite atmosférica definida en la entrada alcanza la estructura probando su desarrollo en un túnel vacío. Esto afecta no solo a la distribución de las velocidades, sino también a las cantidades turbulentas. La prueba se debe realizar tanto para cálculos estacionarios (RANS) como transitorios (URANS, LES). En el siguiente artículo, se muestra el desarrollo de un campo de velocidad, un campo de energía cinética de turbulencia y un campo de velocidad de disipación de turbulencia para las cuatro categorías de terreno I a IV definidas en EN 1991-1-4. Una turbulencia anisótropa verticalmente acc. según el capítulo 6.3.1 y se utiliza el modelo de turbulencia RANS k-ω SST.

Propiedades del fluido	Viscosidad cinemática	ν	1,500e-5	^m2/s
Propiedades del fluido	densidad	ρ	1,250	kg/^m3
Túnel de viento	perímetro	_Dx	800,000	m
	Ancho	D_y	80,000	m
	Altitud	_Dz	300,000	m
Parámetros de cálculo	Velocidad de referencia	_uref	20,000	m/s
	Altura de referencia	_ref z	10,000	m
	von Kármán Constant	κ	0,410
	Constante de viscosidad de turbulencia	_Cμ	0,090

Solución analítica

La solución analítica no está disponible. El ejemplo proporciona una vista general del desarrollo del campo de magnitudes elegido en un túnel de viento vacío.

El perfil de la velocidad del viento se calcula a partir de la siguiente ecuación:

u (z) = \frac{u_{*}}{κ} \ln (\frac{z + z_{0}}{z_{0}})

z₀	Longitud de rugosidad

Perfil de la velocidad del viento

donde u_* es la velocidad de fricción, definida como:

u_{*} = \frac{u_{ref} κ}{\ln (\frac{z_{ref} + z_{0}}{z_{0}})}

Velocidad de fricción

El perfil de turbulencia k se define según la siguiente ecuación:

k (z) = \frac{u_{*}^{2}}{\sqrt{C_{μ}}}

C_μ	Parámetro del modelo de turbulencia

Perfil de turbulencia k

El perfil de turbulencia ω se define calculado según la siguiente ecuación:

ω (z) = \frac{u_{*}}{κ \sqrt{C_{μ}}} \frac{1}{z + z_{0}}

Perfil omega de turbulencia

Configuración de RWIND Simulation

Modelado en RWIND 3.03.0220
Tipo de simulación de flujo estacionario
La densidad de la malla es del 28 %: 2 482 465 celdas
El número de capas límite del túnel es 10
La altura de la primera celda en la parte inferior es de 0,046 m
y+ varía de 800 a 1000
Modelo de turbulencia RANS k-ω SST
Condición de contorno de entrada - capa límite atmosférica
Parte inferior del túnel - condición de contorno sin deslizamiento
Muros y parte superior del túnel - condición de contorno de deslizamiento
Condición de contorno de salida - presión cero

Resultados

Categoría del terreno I

Categoría de terreno I | Diagrama de velocidad, energía cinética turbulenta y tasa de disipación en el túnel de viento

Análisis de flujo de terreno - Comparación túnel de viento

RWIND 3 results - Velocity field (terrain category I)

RWIND 3 results - Velocity field (terrain category I)

RWIND 3 results - Turbulence kinetic energy field (terrain category I)

RWIND 3 results - Turbulence kinetic energy field (terrain category I)

Resultados de RWINDSIM 3: Tasa de disipación específica (categoría de terreno I)

Resultados de RWIND 3: Tasa de disipación específica (categoría de terreno I)

Categoría del terreno II

Categoría de terreno II | Diagrama de velocidad, energía cinética turbulenta y tasa de disipación en túnel de viento

Comparación de parámetros de flujo en túnel de viento

Visualización de resultados del campo de velocidad del viento para categoría de terreno II en RWIND 3

Resultados de RWIND 3: Campo de velocidad (terreno de categoría II)

Visualización de un campo de energía cinética de turbulencia sobre un modelo de categoría de terreno II a partir de la simulación RWIND 3

Resultados de RWIND 3: Campo de energía cinética de turbulencia (categoría de terreno II)

Visualización que muestra simulación RWIND 3 de tasa de disipación específica bajo condiciones de categoría de terreno II

Resultados de RWIND 3: Tasa de disipación específica (terreno de categoría II)

Categoría del terreno III

Categoría de terreno III | Comparación de la velocidad, energía cinética turbulenta y tasa de disipación en tres secciones del túnel de viento

Diagrama comparativo de flujo en túnel de viento

Campo de velocidad del viento simulado para la categoría de terreno III con degradados de color

Resultados de RWIND 3: Campo de velocidad (categoría de terreno III)

Visualización del campo de energía cinética de turbulencia para terreno de categoría III que muestra gradientes de intensidad de la simulación RWIND 3

Resultados de RWIND 3: campo de energía cinética de turbulencia (terreno categoría III)

Salida gráfica que muestra resultados de tasa de disipación específica para categoría de terreno III de simulación RWIND 3

Resultados de RWIND 3: Tasa de disipación específica (Categoría de terreno III)

Categoría del terreno IV

Categoría de terreno IV | Diagrama de velocidad, energía cinética turbulenta y disipación en x = 0, 400 y 750 m

Análisis de flujo de túnel de viento

Salida de simulación que muestra campo de velocidad inducido por el viento sobre terreno categoría IV con gradiente de color

Resultados de RWIND 3: Campo de velocidades (categoría de terreno IV)

Mapa de contorno que muestra la distribución de energía cinética de la turbulencia para la simulación de terreno de categoría IV

Resultados de RWIND 3: Campo de energía cinética de turbulencia (categoría de terreno IV)

Distribución codificada por colores de la tasa de disipación de viento específica para análisis de categoría de terreno IV

Resultados de RWIND 3: Tasa de disipación específica (Categoría de terreno IV)

RWIND 3 results - Velocity field (terrain category I)

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Ejemplo de verificación 0309: Categoría de terreno I

Referencias

Windtechnological Society WTG eV (2023). WTG-Merkblatt M3 – Numerical Simulation of Wind Flows. Aachen: WTG.