Présentation
Dans le domaine de l'ingénierie éolienne, une modélisation et une validation précises sont essentielles pour garantir l'intégrité structurale et les performances aérodynamiques de diverses structures sensibles au vent telles que les antennes (Figure 1). Ces structures, souvent caractérisées par leur géométrie élancée, leur poids léger et leur hauteur considérable, sont par conséquent susceptibles d'êtres soumises aux charges de vent. Même des conditions de vent modérées peuvent imposer des forces importantes sur de tels éléments en raison de leur grand rapport surface/masse. Les antennes, en particulier, nécessitent une attention particulière lors du processus de conception et d'analyse afin de garantir leur stabilité, leur fonctionnalité et leur sécurité au fil du temps. Les tests en soufflerie, les simulations informatiques et les mesures sur le terrain sont couramment utilisés pour estimer avec précision les pressions et les réponses du vent. Des mesures d'évaluation et d'atténuation appropriées sont essentielles non seulement pour anticiper des dommages structuraux, mais également pour maintenir des performances opérationnelles continues, en particulier dans les applications critiques de communication ou de contrôle. Dans l'exemple de validation actuel, le coefficient de force pour la simulation CFD dans RWIND et l'étude expérimentale [1] de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle est étudié.
Pour relever ces défis, une validation rigoureuse des modèles de calcul est nécessaire pour s'assurer que les prévisions théoriques s'alignent sur les performances du monde réel. L'un de ces exemples est la validation de simulations des charges de vent par des essais initiaux et une analyse numérique de la dynamique des fluides (CFD). Ce processus permet aux ingénieurs d'affiner leurs modèles, d'améliorer la précision et d'augmenter la fiabilité globale des structures d'antennes dans diverses conditions environnementales.
En collaboration avec l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle, une établissement de pointe en ingénierie et des sciences appliquées, des études pratiques sont menées sur les structures d'antennes exposées aux charges de vent. En combinant des approches théoriques et des données empiriques, la recherche vise à combler le lien entre la simulation et la réalité, contribuant ainsi au développement de conceptions d'antennes plus sûres et plus résilientes. Cette étude souligne l'importance de la validation en ingénierie éolienne, démontrant comment la collaboration entre l'université et l'industrie peut conduire à des techniques de modélisation plus précises et à des performances améliorées des structures dans des applications réelles.
Description du projet
Dans l'exemple de validation actuel, le coefficient de force pour la simulation CFD dans RWIND et l'étude expérimentale [1] de l'Université RWTH d'Aix-la-Chapelle est étudié. Le modèle représente trois antennes à arêtes vives dans RWIND, placées au-dessus d'une surface de grille qui sert de plan au sol ou de plancher de la soufflerie. Le modèle comprend plusieurs étiquette dimensionnelle en magenta, indiquant des mesures spécifiques : la hauteur totale de l'antenne est de 0,50 m ; sa base est élevée à 0,20 m du sol, comme le montre la Figure 2.
Données d'entrée et hypothèses
Les hypothèses requises pour la simulation des flux de vent sont illustrées dans le tableau suivant :
| Tableau 1 : Rapport dimensionnels et données d’entrée | |||
| Vitesse de référence du vent | V | 10 | m/s |
| Hauteur | href | 0,5 | m |
| Écart inférieur | Écart | 0,20 | m |
| Densité de l’air - RWIND | ρ | 1,25 | kg/m3 |
| Directions du vent | θVent | 0o à 360o avec le pas 30o | Degré |
| Modèle de turbulence - RWIND | RANS stable k-ω SST | - | - |
| Viscosité cinématique (équation 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Ordre du schéma - RWIND | Deuxième | - | - |
| Valeur résiduelle visée - RWIND | 10-4 | - | - |
| Type résiduel - RWIND | Pression | - | - |
| Nombre minimal d'itérations - RWIND | 800 | - | - |
| Couche limite - RWIND | NL | 10 | - |
| Type de fonction de voile - RWIND | Amélioré / combiné | - | - |
| Intensité de la turbulence | I | 3 % | - |
Étude de maillage numérique
L'étude du maillage de calcul est essentiel dans l'analyse CFD car elle affecte directement la précision et la fiabilité des résultats. Alors qu'un maillage bien affiné améliore la précision, un raffinement excessif augmente le coût de calcul sans grand avantage. Les études de sensibilité du maillage aident donc à trouver le parfait équilibre entre précision et efficacité, permettant ainsi une meilleure prise de décision avec une utilisation pratique des ressources. Le tableau affiché dans le coin inférieur droit compare différentes densités de maillage allant de 10 % à 30 % et leurs coefficients de force correspondants (Cf ).
Plus d'informations sur l'étude du maillage de calcul :
Résultats et analyse
La Figure 4 présente une analyse comparant les données expérimentales et simulées liées au coefficient de force du vent agissant sur la structure de l'antenne. Au centre de l'image, un graphique linéaire illustre la variation du coefficient de force Cf en fonction de la direction du vent θ, mesurée en degrés de 0∘ à 360∘. L'axe vertical représente le coefficient de force Cf, allant de 0,0 à 1,0 , et l'axe horizontal représente les directions du vent à des intervalles de 30 degrés. Deux ensembles de données sont tracés sur le graphique : la ligne noire avec des repères triangulaires représente les mesures expérimentales, tandis que la ligne verte avec des repères circulaires représente les résultats de simulation obtenus à l'aide de RWIND.
Plus d'informations sur le calcul du coefficient de force du vent dans RWIND :
Le graphique montre que les résultats initiaux et de RWIND suivent une tendance similaire, ce qui indique un haut niveau d'accord entre les deux. En général, le coefficient de force présente un comportement périodique, avec des chutes visibles aux directions du vent d'environ 60∘ et 180∘, où les valeurs de Cf sont à leur plus bas. Les pics sont observés à environ 0∘, 120∘, 240∘ et 330∘, où la structure subit les forces causées par le vent les plus élevées. L'alignement étroit des deux courbes montre que RWIND capture avec précision la réponse aérodynamique de la structure, avec un écart moyen rapporté d'environ 5 % par rapport aux données expérimentales.
Overall, the current study effectively investigates the process of validating a numerical wind simulation against physical experiment results. It shows that RWIND performs very well in replicating the experimental data across various wind directions, suggesting its suitability for predicting wind loads on slender vertical structures like antenna masts. La combinaison de données graphiques, de représentations structurelles et de simulation des flux de vent permet d'obtenir une vue d'ensemble claire de la méthodologie et des résultats de l'étude.
Also, the example of the single sharp-edge antenna from RWTH Aachen University is here:
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