Les exemples de validation des simulations de la mécanique des fluides numérique (CFD) à l’aide d’une étude expérimentale (Figure 1) sont une étape cruciale pour vérifier l’exactitude des modèles de simulation. Ce processus implique une comparaison détaillée des résultats obtenus à partir des simulations CFD et ceux obtenus par des expériences réelles. Cela permet d’assurer que les simulations peuvent être utilisées de manière fiable pour estimer la simulation aérodynamique dans diverses applications, de l’ingénierie à l’analyse environnementale. La validation des modèles CFD par rapport aux données expérimentales aide à identifier les écarts, ce qui permet d’ajuster les paramètres du modèle, les modèles de turbulence ou les méthodes numériques. En fin de compte, ce processus itératif augmente la confiance dans les capacités prédictives de la simulation et garantit que le modèle CFD peut refléter les phénomènes du monde réel.
Dans l'exemple actuel issu de la collaboration entre Dlubal Software et l'Université RWTH-Aachen, nous définissons les étapes clés pour implémenter la simulation CFD dans RWIND à l'aide de données expérimentales. Nous remercions Frank Kemper et Mirko Friehe, de l’Université d’Aix-la-Chapelle, pour avoir fourni les données expérimentales de la soufflerie et son soutien inestimable tout au long de ce projet.
Les Figures 1 et 2 montrent le modèle expérimental représenté sous forme de bâtiment rectangulaire tridimensionnel dans la soufflerie. Dans le modèle principal, des capteurs sont inclus afin de mesurer les paramètres clés, tels que les valeurs de pression du vent et le coefficient de pression du vent. Les petits blocs entourant le modèle simulent un terrain irrégulier afin de représenter avec précision les conditions environnantes.
La production d’un exemple de validation pour une simulation CFD (mécanique des fluides numérique) dans RWIND à l’aide de données expérimentales de l’Université d’Aix-la-Chapelle implique un processus systématique. Voici un tutoriel pas à pas :
Étape 1 : Définition des objectifs de validation
- Objectif : Dans cette partie, nous expliquons les raisons pour lesquelles nous effectuons cette validation. Les objectifs courants sont de vérifier l’exactitude des résultats de RWIND par rapport aux données expérimentales physiques.
- Champ d’application : Les résultats visés pour les validations incluent les valeurs de pression du vent sur les capteurs définis et les efforts de base selon différentes directions du vent.
Step 2: Collect Experimental Data from Wind Tunnel Test
- Acquisition des données : Vous pouvez ainsi collecter toutes les données expérimentales nécessaires telles que la vitesse du vent, les directions du vent, les mesures de pression et les conditions aux limites pertinentes.
- Format de données : Assurez-vous que les données sont dans un format que RWIND peut traiter, tel que des fichiers de texte ou des feuilles de calcul, et confirmez qu’il correspond aux unités et à l’échelle requises par RWIND. Voici un lien de la FAQ expliquant comment introduire des données expérimentales dans RWIND :
- Contrôle de qualité : Vérifiez les données pour l’exhaustivité et l’exactitude. Assurez-vous que les données couvrent l’ensemble des conditions que vous envisagez de simuler.
Étape 3 : Configuration du modèle dans RWIND
- Import de la géométrie : Créez ou importez la géométrie de la structure à étudier (par exemple, un bâtiment ou un pont). Elle peut être modélisée directement dans RWIND ou importée depuis RFEM ou un programme de CAO (Figure 3).
- Conditions aux limites : Appliquez les mêmes conditions aux limites que celles utilisées dans le montage expérimental. Cela inclut la spécification de la vitesse du vent, de l’intensité de la turbulence et d’autres facteurs requis (Figure 4).
- Maillage : Générez un maillage de calcul adapté à votre étude (Figure 5). Cette étape consiste à discrétiser la géométrie en éléments plus petits que RWIND utilise pour les calculs. Assurez-vous que le maillage est suffisamment fin dans les zones à gradients élevés (par exemple, autour des bords ou des surfaces avec flux turbulent prévu). Repeat the calculation with increasing mesh density as long as the results are nearly equal.
Étape 4 : Exécuter la simulation
- Test initial : Commencez par effectuer un test afin d’identifier d'éventuels problèmes sur votre configuration. Vérifiez la qualité du maillage, les conditions aux limites et les problèmes de convergence.
- Simulation complète : Une fois que le test est réussi, lancez la simulation complète. Surveillez la convergence et la stabilité de la simulation, et faites des ajustements si nécessaire.
Étape 5 : Résultats du post-traitement
- Extraction des données : Exportez les résultats de la simulation, y compris la force du vent résultante, les distributions de pression pour les points de mesure définis de RWIND pour les comparer aux données expérimentales.
- Visualisation : Utilisez les outils de post-traitement de RWIND pour visualiser les modèles de flux et les distributions de pression. Créez des tracés, des graphiques ou des visualisations 3D pour mieux interpréter les résultats.
Étape 6 : Comparer les résultats aux données expérimentales
- Alignement des données : Assurez-vous que les données de simulation et expérimentales sont alignées en termes d’emplacements spatiaux, d’unités et d’échelles.
- Analyse Statistique : Effectuez une comparaison statistique entre la simulation et les données expérimentales. Calculez les mesures de déviation telles que les coefficients de corrélation pour quantifier la précision.
Voici les forces de base résultantes en fonction de différentes directions de vent, telles qu’analysées dans RWIND et comparées à une étude expérimentale (Figure 6). Le modèle de turbulence k-epsilon a été utilisé pour le calcul des forces de base, en considérant les niveaux d’intensité de turbulence faibles et élevés. Les résultats avec une intensité de turbulence plus élevée se sont avérés plus proches de l’étude expérimentale, avec un écart d’environ 6 %.
Le deuxième paramètre est les valeurs de pression de la charge du vent calculées aux points de mesure dans l’étude numérique et expérimentale (Figure 7). Dans RWIND, les modèles SST standard k-epsilon et k-omega ont été utilisés pour comparer ces valeurs de pression de la charge du vent avec les résultats expérimentaux. L’analyse statistique indique que le modèle SST k-omega fournit une tendance plus proche des résultats initiaux selon le coefficient de corrélation (R = 0,98) et le coefficient de détermination (R2 = 0,96) dans la Figure 8.
Étape 8 : Documentation et rapport
Documentez l’ensemble du processus de validation, y compris la configuration, les paramètres de simulation, la méthodologie de comparaison et les résultats. Mettez en surbrillance les écarts par rapport aux données expérimentales et les raisons potentielles. Donnez des informations sur la précision du modèle CFD et proposez des améliorations ou des étapes de validation supplémentaires si nécessaire.
