Programy RFEM i RWIND umożliwiają utworzenie modelu membranowej konstrukcji rozciąganej, dla którego można przeprowadzić symulację przepływu wiatru i wdrożyć ważne kryteria. RWIND to wydajne narzędzie do tworzenia obciążeń wiatrem na ogólnych konstrukcjach i skomplikowanych kształtach. Solwer CFD to pakiet oprogramowania OpenFOAM ® (wersja 17.10), który zapewnia bardzo dobre wyniki i jest szeroko stosowanym narzędziem do symulacji CFD. Solwer numeryczny jest w stanie ustalonym dla nieściśliwego przepływu turbulentnego, korzystając z algorytmu SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
Obciążenia wiatrem są regulowane przez określone normy, takie jak EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 lub NBC 2015. RFEM to dobrze wyposażone oprogramowanie do tworzenia konstrukcji membranowych; uwzględnia nieliniową analizę znajdowania kształtu (form-finding) dla sprężonych powierzchni o podwójnej krzywiźnie. Rysunek 02 przedstawia numeryczny schemat przepływu powietrza i modelowanie MES do przeprowadzenia przykładu weryfikacyjnego dotyczącego konstrukcji membranowych.
Aby wyznaczyć równania różniczkowe częściowe numerycznie, należy zdyskretyzować wszystkie wyrażenia różniczkowe (pochodne przestrzenne i czasowe). Istnieje wiele metod dyskretyzacji, w których stosuje się różne podejścia w zakresie dokładności, stateczności i zbieżności. Ogólnie rzecz biorąc, kolejność dyskretyzacji pokazuje, jak dokładna jest symulacja numeryczna w porównaniu z rozwiązaniami oryginalnych niedyskretyzowanych równań. Dyskretyzacja numeryczna pierwszego rzędu zasadniczo generuje lepszą zbieżność niż schemat drugiego rzędu. W niniejszej pracy zastosowano dyskretyzację drugiego rzędu. Również w przypadku stosowania schematu numerycznego drugiego rzędu zaleca się zwiększenie minimalnej liczby iteracji w celu uzyskania lepszej zbieżności (rysunek 03).
Przykład obliczeniowy
Aby zweryfikować proces symulacji wiatru, opracowywany jest model podwójnej krzywizny, jak pokazano w [1] [2], a wyniki są analizowane. Skala modelu lekkiej krzywej została wybrana jako 1/25, czyli taka sama, jak w modelu eksperymentalnym w publikacji [3], ilustrującym hiper-dach o wymiarach 10 m na 10 m na 1,25 m. Niewielka krzywa jest wykorzystana do sprawdzenia przykładu o kącie =45o. Siła naciągu wstępnego dla skali rzeczywistej została przyłożona do powierzchni 2,5 kN/m, a właściwości mechaniczne, takie jak moduł Young's i współczynnik Poissona's, są zdefiniowane jako Ex =1000 kN/m. Ey =800 kN/m. Gxy =100 kN/m, vxy =0,20. Rysunek 04 ilustruje geometrię modelu z podwójną krzywizną. Informacje wejściowe i dane wejściowe dotyczące prędkości wiatru dla symulacji CFD pokazano na rysunku 05.
Wymiar tunelu aerodynamicznego
Należy pamiętać, że wymiar tunelu aerodynamicznego może powodować błędy, jeśli rozmiar tunelu jest mniejszy niż rozmiar standardowy. Poniższy rysunek przedstawia standardowy wymiar tunelu aerodynamicznego [3]. Ponadto wyniki są zależne od rozmiaru oczek siatki, dlatego obliczenia należy przeprowadzić dla co najmniej trzech różnych numerów siatki, a gdy wyniki są wystarczająco zbliżone do poprzedniego etapu, uzyskuje się niezależność od rastra (zdjęcie 06).
Widok z boku generowania siatki modelu pokazano na rysunku 07; Jak widać, algorytm zagęszczenia siatki stosowany jest w niewielkiej odległości od powierzchni modelu.
Analiza rastra
Wyniki symulacji CFD są zależne od rozmiaru siatki, dlatego należy sprawdzić niezależność od rastra dla co najmniej trzech różnych numerów elementów siatki. Oto wyniki wartości Cp na osi dachu; jak widać, istnieją bardzo niewielkie różnice, które pokazują, że wyniki symulacji wiatru stają się niezależne od trzeciej siatki (zdjęcie 08).
Ulepszona funkcja ściany
RWIND wykorzystuje mieszaną funkcję ściany (BWF), znaną również jako ulepszona funkcja ściany (EWF), która wykazuje znacznie lepszą wydajność niż standardowa funkcja ściany (SWF). Dzięki temu można mieć pewność, że wyniki będą dokładne dla szerokiego zakresu liczb y+. BWF nie jest funkcją symetryczną. Mamy ciągłą czarną linię (jak pokazano na rysunku 09), która jest metodą bezpośredniej symulacji numerycznej (DNS), którą próbujemy odtworzyć. Od razu widać, że EWF jest zdecydowanie bliżej danych z DNS niż SWF. Tym samym, w obszarze buforowym między ay+ wynoszącym od 5 do 30, EWF jest zdecydowanie dokładniejszy w porównaniu z SWF. Z tego powodu EWF jest często zalecany w symulacjach CFD [4].
Wykres średniego ciśnienia i kontur dla dwóch modeli turbulencji pokazano na rysunkach 10 i 11. W oparciu o linię środkową dachu hiparyzowanego wykreślany jest wykres rozkładu Cpe i porównywany z eksperymentalnym testem w tunelu aerodynamicznym. Wartość Cp może być oparta na poniższym równaniu, w którymP jest ciśnieniem wiatru w mierzonym punkcie, Pref jest ciśnieniem odniesienia (ciśnienie atmosferyczne), ρ jest gęstością powietrza, a Uref jest prędkością odniesienia równą 15,3 m/pkt.
Jak pokazano tutaj, model turbulencji K-omega wykazuje lepszą wydajność w przewidywaniu współczynnika ciśnienia wiatru; W omawianym badaniu model turbulencji K-omega lepiej niż modele K-epsilon wychwytuje efekty wzbudzania wirowego w warunkach silnego ujemnego ciśnienia wiatru. Zalecamy stosowanie tego modelu turbulencji jako dokładniejszej opcji w interakcjach wiatr-konstrukcja.
..png?mw=320&hash=bd2e7071b02d74aef6228d22c4b83867d2d7e1a5)
_1.jpg?mw=350&hash=ab2086621f4e50c8c8fb8f3c211a22bc246e0552)
.png?mw=600&hash=49b6a289915d28aa461360f7308b092631b1446e)
