Introduzione
Nel campo dell'ingegneria del vento, una modellazione e una validazione accurate sono fondamentali per garantire l'integrità strutturale e le prestazioni aerodinamiche di varie strutture sensibili al vento come le antenne (Figura 1). Queste strutture, spesso caratterizzate dalla loro geometria snella, peso leggero e altezza considerevole, sono intrinsecamente vulnerabili ai carichi del vento. Anche condizioni di vento moderato possono imporre forze significative su tali elementi a causa del loro ampio rapporto superficie-massa. Le antenne, in particolare, richiedono un'attenta attenzione durante il processo di progettazione e analisi per garantirne la stabilità, la funzionalità e la sicurezza nel tempo. I test in galleria del vento, le simulazioni computazionali e le misurazioni sul campo sono comunemente utilizzate per prevedere con precisione le pressioni e le risposte del vento. Una corretta valutazione e strategie di mitigazione sono essenziali non solo per prevenire danni strutturali, ma anche per mantenere le prestazioni operative continue, specialmente nelle applicazioni critiche di comunicazione o monitoraggio. Nell'attuale esempio di convalida, viene esaminato il coefficiente di forza sia per la simulazione CFD in RWIND che per lo studio sperimentale [1] dell'Università RWTH di Aquisgrana.
Per affrontare queste sfide, è necessaria una rigorosa convalida dei modelli computazionali per garantire che le previsioni teoriche siano in linea con le prestazioni del mondo reale. Uno di questi esempi è la convalida delle simulazioni del carico del vento dell'antenna attraverso test sperimentali e analisi della fluidodinamica computazionale (CFD). Questo processo consente agli ingegneri di perfezionare i loro modelli, migliorare la precisione e migliorare l'affidabilità complessiva delle strutture delle antenne in varie condizioni ambientali.
In collaborazione con la RWTH Aachen University, un'istituzione leader in ingegneria e scienze applicate, vengono condotti studi pratici su strutture di antenne esposte ai carichi del vento. Combinando approcci teorici con dati empirici, la ricerca mira a colmare il divario tra simulazione e realtà, contribuendo allo sviluppo di progetti di antenne più sicuri e più resistenti. Questo studio sottolinea l'importanza della convalida nell'ingegneria del vento, dimostrando come la collaborazione tra mondo accademico e industria può portare a tecniche di modellazione più precise e prestazioni strutturali migliorate nelle applicazioni del mondo reale.
Descrizione
Nell'attuale esempio di convalida, viene esaminato il coefficiente di forza sia per la simulazione CFD in RWIND che per lo studio sperimentale [1] dell'Università RWTH di Aquisgrana. Il modello rappresenta tre antenne a spigoli vivi in RWIND, posizionate sopra una superficie della griglia che funge da piano terra o da pavimento della galleria del vento. Il modello include diverse etichette dimensionali in magenta, che indicano misure specifiche: l'altezza totale dell'antenna è di 0,50 m; la sua base è elevata a 0,20 m da terra come mostrato nell'immagine 2.
Dati di input e ipotesi
L'ipotesi richiesta per la simulazione del vento è illustrata nella tabella seguente:
| Tabella 1: Rapporto dimensionale e dati di input | |||
| Velocità di riferimento del vento | V | 10 | m/s |
| Altezza | href | 0.5 | m |
| Distanza inferiore | Gap | 0.20 | m |
| Densità dell'aria - RWIND | ρ | 1.25 | kg/m3 |
| Direzione del vento | θvento | Da 0o a 360o con step 30o | Grado |
| Modello di turbolenza - RWIND | RANS stazionario k-ω SST | - | - |
| Viscosità cinematica (Equazione 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | m2/s |
| Ordine dello schema - RWIND | Secondo | - | - |
| Valore obiettivo residuo - RWIND | 10-4 | - | - |
| Tipo di residuo - RWIND | compressione | - | - |
| Numero minimo di iterazioni - RWIND | 800 | - | - |
| Strato limite - RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo di funzione della parete - RWIND | Amplificato/Blended | - | - |
| Intensità di turbolenza | i | 3% | - |
Studio computazionale della mesh
Uno studio computazionale della mesh è essenziale nell'analisi CFD perché influenza direttamente l'accuratezza e l'affidabilità dei risultati. Mentre una mesh ben rifinita migliora la precisione, un perfezionamento eccessivo aumenta i costi di calcolo senza molti vantaggi. Pertanto, gli studi di sensibilità della mesh aiutano a trovare l'equilibrio ottimale tra accuratezza ed efficienza, consentendo un migliore processo decisionale con un uso pratico delle risorse. La tabella visualizzata nell'angolo in basso a destra confronta varie densità della mesh che vanno dal 10% al 30% e i loro coefficienti di forza corrispondenti (Cf ).
Scopri di più sullo studio della mesh computazionale:
Risultati e discussione
L'immagine 4 presenta un'analisi che confronta i dati sperimentali e simulati relativi al coefficiente della forza del vento che agisce sulla struttura dell'antenna. Al centro dell'immagine, un grafico a linee illustra la variazione del coefficiente di forza Cf in funzione della direzione del vento θ, misurata in gradi da 0∘ a 360∘. L'asse verticale rappresenta il coefficiente di forza Cf, compreso tra 0,0 e 1,0 , e l'asse orizzontale rappresenta le direzioni del vento a intervalli di 30 gradi. Sul grafico sono riportati due set di dati: la linea nera con indicatori triangolari rappresenta le misurazioni sperimentali, mentre la linea verde con indicatori circolari rappresenta i risultati della simulazione ottenuti utilizzando RWIND.
Scopri di più su come calcolare il coefficiente di forza del vento in RWIND:
Il grafico mostra che sia i risultati sperimentali che quelli di RWIND seguono una tendenza simile, indicando un alto livello di accordo tra i due. In generale, il coefficiente di forza mostra un comportamento periodico, con cali evidenti nelle direzioni del vento di circa 60∘ e 180∘, dove i valori di Cf sono al minimo. I picchi si osservano intorno a 0∘, 120∘,240∘ e 330∘, dove la struttura subisce le forze indotte dal vento più elevate. Lo stretto allineamento delle due curve mostra che RWIND cattura accuratamente la risposta aerodinamica della struttura, con una deviazione media riportata di circa il 5% dai dati sperimentali.
Nel complesso, il presente studio esamina in modo efficace il processo di convalida di una simulazione numerica del vento rispetto ai risultati degli esperimenti fisici. Mostra che RWIND si comporta molto bene nel replicare i dati sperimentali attraverso varie direzioni del vento, suggerendo la sua idoneità per la previsione dei carichi del vento su strutture verticali snelle come i tralicci di antenne. La combinazione di dati grafici, elementi visivi strutturali e simulazione del campo di flusso fornisce una rappresentazione chiara e completa della metodologia e dei risultati dello studio.
Anche l'esempio dell'antenna a spigolo vivo della RWTH Aachen University è qui:
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