Gli esempi di validazione di simulazioni fluidodinamiche computazionali (CFD) utilizzando lo studio sperimentale (Figura 1) sono un passaggio cruciale nella verifica dell'accuratezza dei modelli di simulazione. Questo processo comporta un confronto dettagliato tra i risultati ottenuti dalle simulazioni CFD e quelli derivati da esperimenti nel mondo reale. Garantisce che le simulazioni possano essere utilizzate in modo affidabile per prevedere la simulazione aerodinamica in varie applicazioni, dalla progettazione ingegneristica all'analisi ambientale. La convalida dei modelli CFD rispetto ai dati sperimentali aiuta a identificare le discrepanze, consentendo modifiche ai parametri del modello, ai modelli di turbolenza o ai metodi numerici. In definitiva, questo processo iterativo crea fiducia nelle capacità predittive della simulazione e garantisce che il modello CFD possa riflettere i fenomeni del mondo reale.
Nell'esempio attuale, che è una collaborazione tra Dlubal Software e RWTH-Aachen University, delineiamo i passaggi chiave per l'implementazione della simulazione CFD in RWIND utilizzando dati sperimentali. Apprezziamo molto il Prof. Frank Kemper e il Dipl.-Ing. Mirko Friehe dell'Università di Aquisgrana per aver fornito i dati sperimentali della galleria del vento e il loro prezioso supporto durante questo progetto.
L'immagine 1 e l'immagine 2 mostrano il modello sperimentale, rappresentato come un edificio rettangolare 3D nella galleria del vento. Nel modello principale, i sensori sono inclusi per misurare i parametri chiave, come i valori di pressione del vento e il coefficiente di pressione del vento. I piccoli blocchi che circondano il modello simulano la rugosità del terreno per riflettere accuratamente le condizioni circostanti.
La produzione di un esempio di validazione per una simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) in RWIND utilizzando i dati sperimentali dell'Università di Aquisgrana comporta un processo sistematico. Ecco una guida passo dopo passo:
Passaggio 1: definizione degli obiettivi di convalida
- Scopo : In questa parte, stabiliamo perché stiamo conducendo questa convalida. Gli obiettivi comuni sono verificare l'accuratezza dei risultati di RWIND rispetto ai dati fisici sperimentali.
- Campo di applicazione : I risultati obiettivo per le convalide includono i valori di pressione del vento su sensori definiti e le forze di base secondo varie direzioni del vento.
Passaggio 2: raccogliere i dati sperimentali dal test in galleria del vento
- Acquisizione dati : Raccogli tutti i dati sperimentali necessari, come la velocità del vento, le direzioni del vento, le misurazioni della pressione e qualsiasi condizione al contorno pertinente.
- Formato dati : Assicurati che i dati siano in un formato che RWIND possa elaborare, come file di testo o fogli di calcolo, e conferma che siano allineati con le unità e la scala richieste da RWIND. Ecco un link alle domande frequenti su come introdurre i dati sperimentali in RWIND:
- Controllo di qualità : Esaminare i dati per la completezza e l'accuratezza. Assicurati che i dati coprano l'intervallo di condizioni che intendi simulare.
Passaggio 3: impostazione del modello in RWIND
- Importazione della geometria : Crea o importa la geometria della struttura studiata (ad esempio, un edificio o un ponte). Questo può essere modellato direttamente in RWIND o importato da RFEM o dal programma CAD (Figura 3).
- Condizioni al contorno : Applicare le stesse condizioni al contorno di quelle utilizzate nella configurazione sperimentale. Ciò include la specifica della velocità del vento, l'intensità della turbolenza e altri fattori richiesti (Figura 4).
- Mesh : Genera una mesh computazionale adatta al tuo studio (Figura 5). Questo passaggio comporta la discretizzazione della geometria in elementi più piccoli che RWIND utilizza per i calcoli. Assicurarsi che la mesh sia sufficientemente fine nelle aree con gradienti elevati (come attorno ai bordi o alle superfici con flusso turbolento previsto). Ripetere il calcolo con l'aumento della densità della mesh fino a quando i risultati sono quasi uguali.
Passaggio 4: esecuzione della simulazione
- Esecuzione del test iniziale : Inizia con un'esecuzione di prova per identificare eventuali problemi con l'installazione. Verifica la qualità della mesh, le condizioni al contorno ed eventuali problemi di convergenza.
- Simulazione completa : Una volta che il test ha avuto esito positivo, procedere con la simulazione completa. Monitorare la simulazione per la convergenza e la stabilità, apportando le modifiche se necessario.
Passaggio 5: risultati della post-elaborazione
- Estrazione dei dati : Esporta i risultati della simulazione, inclusa la forza del vento risultante, le distribuzioni di pressione per i punti di misurazione definiti da RWIND per confrontarli con i dati sperimentali.
- Visualizzazione : Utilizza gli strumenti di post-elaborazione di RWIND per visualizzare i modelli di flusso e le distribuzioni della pressione. Crea grafici, grafici o visualizzazioni 3D per interpretare meglio i risultati.
Passaggio 6: confronta i risultati con i dati sperimentali
- Allineamento dei dati : Assicurati che la simulazione e i dati sperimentali siano allineati in termini di posizioni spaziali, unità e scale.
- Analisi statistica : Esegui un confronto statistico tra la simulazione e i dati sperimentali. Calcola le metriche di deviazione come i coefficienti di correlazione per quantificare l'accuratezza.
Ecco le forze di base risultanti secondo varie direzioni del vento, come analizzate in RWIND e confrontate con uno studio sperimentale (Figura 6). Il modello di turbolenza k-epsilon è stato utilizzato per i calcoli della forza di base, considerando sia i livelli bassi che quelli alti di intensità della turbolenza. I risultati con una maggiore intensità di turbolenza hanno mostrato un allineamento più stretto con lo studio sperimentale, con una deviazione di circa il 6%.
Il secondo parametro sono i valori della pressione del vento calcolati nei punti di misurazione sia nello studio numerico che sperimentale (Figura 7). In RWIND, i modelli standard k-epsilon e k-omega SST sono stati utilizzati per confrontare questi valori di pressione del vento con i risultati sperimentali. L'analisi statistica indica che il modello k-omega SST fornisce una tendenza più vicina ai risultati sperimentali secondo il coefficiente di correlazione (R=0,98) e il coefficiente di determinazione (R2 =0,96) nell'immagine 8.
Step 8: Documentazione e reporting
Documenta l'intero processo di validazione, compresa la configurazione, i parametri di simulazione, la metodologia di confronto e i risultati. Evidenzia eventuali deviazioni dai dati sperimentali e potenziali ragioni. Fornisci informazioni dettagliate sull'accuratezza del modello CFD' e suggerisci miglioramenti o ulteriori passaggi di convalida, se necessario.
