Descripción del trabajo
En el ejemplo de validación actual, investigamos el coeficiente de fuerza del viento (Cf ) de formas de cubo con EN 1991-1-4 [1] . Hay casos tridimensionales de los que explicaremos más en la siguiente parte.
Uno de los puntos importantes en la simulación CFD es encontrar configuraciones precisas y compatibles con respecto a los datos de entrada tales como modelos de turbulencia, perfil de velocidad del viento, intensidad de turbulencia, condición de la capa límite, orden de discretización, etc., donde no se mencionan los detalles numéricos en Eurocódigo. En el ejemplo actual para la forma cúbica, recomendamos configuraciones compatibles con respecto a la norma Eurocódigo. Como se puede ver en EN 1991-1-4, existen diferentes tablas y diagramas para el cálculo estático de la carga de viento.
Solución analítica
Hay categorías tridimensionales para la forma del cubo debido a la relación h/d como se muestra en la figura 1 (tabla del Eurocódigo 7.1). Los datos de entrada para cada caso dimensional se consideran en base a la Tabla 1.
Para el primer caso, consideramos la forma del cubo de gran altura (h/d = 5) con respecto a los datos de entrada que se muestran en la siguiente tabla:
| ' ' ' Relación dimensional: h/d = 5 ' ' ' | |||
| Velocidad del viento | V | 30 | m/s |
| Altitud | h | 50 | m |
| profundidad | d | 10 | m |
| Ancho | b | 12 | m |
| La relación de solidez (Ec. 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | |
| La esbeltez eficaz (tabla 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 5,83 | |
| Factor de efecto final (Fig. 7.36, EN 1991-1-4) | ψλ | 0,68 | |
| Factor de reducción (fig. 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | |
| Coeficiente de fuerza sin flujo en el extremo libre (Fig. 7.23, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 2,30 | |
| Coeficiente de fuerza (Ec. 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 1,564 | |
| Densidad del aire - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Modelo de turbulencia - RWIND | RANS estacionario k-ω SST | - | |
| Viscosidad cinemática (ecuación 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Orden del esquema - RWIND | Segundo | - | |
| Valor teórico residual - RWIND | 10-5 | - | |
| Tipo residual - RWIND | Presión | - | |
| Número mínimo de iteraciones - RWIND | 800 | - | |
| Capa de contorno - RWIND | NL | 10 | |
| Tipo de función de muro - RWIND | Mejorado / mezclado | - | |
| Intensidad de la turbulencia (mejor ajuste) - RWIND | I | 15% | |
Para el siguiente caso, consideramos la forma del cubo de altura media (h/d = 1) debido a los datos de entrada que se muestran en la siguiente tabla:
| ' ' ' Relación dimensional: h/d = 1 ' ' ' | |||
| Velocidad del viento | V | 30 | m/s |
| Altitud | h | 10 | m |
| profundidad | d | 10 | m |
| Ancho | b | 12 | m |
| La relación de solidez (Ec. 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | |
| La esbeltez eficaz (tabla 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 1,66 | |
| Factor de efecto final (Fig. 7.36, EN 1991-1-4) | ψλ | 0,62 | |
| Factor de reducción (fig. 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | |
| Coeficiente de fuerza sin flujo en el extremo libre (Fig. 7.23, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 2,30 | |
| Coeficiente de fuerza (Ec. 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 1,426 | |
| Densidad del aire - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Modelo de turbulencia - RWIND | RANS estacionario k-ω SST | - | |
| Viscosidad cinemática (ecuación 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Orden del esquema - RWIND | Segundo | - | |
| Valor teórico residual - RWIND | 10-5 | - | |
| Tipo residual - RWIND | Presión | - | |
| Número mínimo de iteraciones - RWIND | 800 | - | |
| Capa de contorno - RWIND | NL | 10 | |
| Tipo de función de muro - RWIND | Mejorado / mezclado | - | |
| Intensidad de la turbulencia (mejor ajuste) - RWIND | I | 7,5% | |
Para el último caso, el cubo de altura corta se considera forma (h/d = 0,25) debido a los datos de entrada que se muestran en la siguiente tabla:
| ' ' ' Relación dimensional: h/d = 0,25 ' ' ' | |||
| Velocidad del viento | V | 30 | m/s |
| Altitud | h | 2.50 | m |
| profundidad | d | 10 | m |
| Ancho | b | 2.50 | m |
| La relación de solidez (Ec. 7.28, EN 1991-1-4) | φ | 1 | |
| La esbeltez eficaz (tabla 7.16, EN 1991-1-4) | λ | 2 | |
| Factor de efecto final (Fig. 7.36, EN 1991-1-4) | ψλ | 0,63 | |
| Factor de reducción (fig. 7.24, EN 1991-1-4) | ψr | 1 | |
| Coeficiente de fuerza sin flujo en el extremo libre (Fig. 7.23, EN 1991-1-4) | Cf,0 | 1.20 | |
| Coeficiente de fuerza (Ec. 7.9, EN 1991-1-4) | Cf | 0,756 | |
| Densidad del aire - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Modelo de turbulencia - RWIND | RANS estacionario k-ω SST | - | |
| Viscosidad cinemática (ecuación 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Orden del esquema - RWIND | Segundo | - | |
| Valor teórico residual - RWIND | 10-5 | - | |
| Tipo residual - RWIND | Presión | - | |
| Número mínimo de iteraciones - RWIND | 800 | - | |
| Capa de contorno - RWIND | NL | 10 | |
| Tipo de función de muro - RWIND | Mejorado / mezclado | - | |
| Intensidad de la turbulencia (mejor ajuste) - RWIND | I | 15% | |
Resultados
Los resultados del coeficiente de fuerza del viento se obtienen con diferentes relaciones dimensionales y diferentes intensidades de turbulencia. Para el primer caso que tiene forma de cubo de gran altura (h/d = 5), el valor de Cf se muestra en la siguiente tabla:
| Intensidad de turbulencia (%) (h/d = 5) | Fd (N) | ρ (kg/m3) | u (m/s) | A (m2) | Cf |
| 1.00 - RWIND | 498829 | 1,25 | 30 | 600 | 1,478 |
| 5.00 - RWIND | 518278 | 1,25 | 30 | 600 | 1,536 |
| 7.50 - HORNO | 521515 | 1,25 | 30 | 600 | 1,545 |
| 10.00 - RWIND | 520397 | 1,25 | 30 | 600 | 1,542 |
| 15.00 - RWIND | 525011 | 1,25 | 30 | 600 | 1,556 |
| 20.00 - RWIND | 533059 | 1,25 | 30 | 600 | 1,579 |
| 25.00 - HORNO | 543164 | 1,25 | 30 | 600 | 1,609 |
| Eurocódigo | |||||
| 1,564 |
Para el segundo caso, que tiene forma de cubo de altura media (h/d = 1), el valor de Cf se muestra en la siguiente tabla:
| Intensidad de turbulencia (%) (h/d = 1) | Fd (N) | ρ (kg/m3) | u (m/s) | A (m2) | Cf |
| 1.00 - RWIND | 97148 | 1,25 | 30 | 120 | 1,439 |
| 5.00 - RWIND | 95497 | 1,25 | 30 | 120 | 1,415 |
| 7.50 - HORNO | 96420 | 1,25 | 30 | 120 | 1,428 |
| 10.00 - RWIND | 96453 | 1,25 | 30 | 120 | 1,429 |
| 15.00 - RWIND | 96666 | 1,25 | 30 | 120 | 1,432 |
| 20.00 - RWIND | 91027 | 1,25 | 30 | 120 | 1,349 |
| 25.00 - HORNO | 89827 | 1,25 | 30 | 120 | 1,331 |
| Eurocódigo | |||||
| 1,426 |
Para el último caso que tiene forma de cubo de baja altura (h/d = 0,25), el valor de Cf se muestra en la siguiente tabla:
| Intensidad de turbulencia (%) (h/d = 0,25) | Fd (N) | ρ (kg/m3) | u (m/s) | A (m2) | Cf |
| 1.00 - RWIND | 2711 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,771 |
| 5.00 - RWIND | 2692 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,766 |
| 7.50 - HORNO | 2671 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,760 |
| 10.00 - RWIND | 2667 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,759 |
| 15.00 - RWIND | 2650 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,754 |
| 20.00 - RWIND | 2662 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,757 |
| 25.00 - HORNO | 2630 | 1,25 | 30 | 6.25 | 0,748 |
| Eurocódigo | |||||
| 0,756 |
Conclusión
Los resultados muestran una muy buena concordancia entre el coeficiente de fuerza del viento de RWIND y el estándar de viento del Eurocódigo. En función de los resultados, se especifica el valor recomendado de intensidad de turbulencia para diferentes relaciones dimensionales. La intensidad de la turbulencia entre el 7,5% y el 15% muestra un mejor rendimiento en la predicción del coeficiente de fuerza del viento. El otro punto importante es el tamaño del túnel de viento, para el cual se utilizó el tamaño predeterminado del túnel de viento para los dos primeros casos, pero para el último caso (h/d = 0,25), el tamaño del túnel de viento modificado muestra mejores resultados.
Además, el modelo de cubo con la configuración recomendada está disponible para descargar aquí:
