Przykłady walidacji obliczeniowej symulacji dynamiki płynów (CFD) z wykorzystaniem badań eksperymentalnych (zdjęcie 1) są kluczowym krokiem w weryfikacji dokładności modeli symulacyjnych. Proces ten obejmuje szczegółowe porównanie wyników uzyskanych z symulacji CFD z wynikami uzyskanymi w rzeczywistych eksperymentach. Dzięki temu symulacje mogą być niezawodnie wykorzystywane do przewidywania symulacji aerodynamicznych w różnych zastosowaniach, od projektowania inżynierskiego po analizę środowiskową. Walidacja modeli CFD z danymi eksperymentalnymi pomaga zidentyfikować rozbieżności, umożliwiając dostosowanie parametrów modelu, modeli turbulencji lub metod numerycznych. Ostatecznie, ten iteracyjny proces buduje zaufanie do możliwości predykcyjnych symulacji' i gwarantuje, że model CFD może odzwierciedlać zjawiska świata rzeczywistego.
W omawianym przykładzie, który powstał we współpracy Dlubal Software z RWTH-Aachen University, przedstawiamy kluczowe kroki w celu wdrożenia symulacji CFD w RWIND przy użyciu danych eksperymentalnych. Bardzo doceniamy prof. Franka Kempera i dipl.-ing. Mirko Friehe z Uniwersytetu w Aachen za udostępnienie danych z eksperymentalnego tunelu aerodynamicznego i nieocenione wsparcie podczas całego projektu. Rysunki 1 i 2 przedstawiają model eksperymentalny, przedstawiony jako prostokątny budynek 3D w tunelu aerodynamicznym. Model główny obejmuje czujniki do pomiaru kluczowych parametrów, takich jak wartości ciśnienia wiatru i współczynnik ciśnienia wiatru. Małe bloki otaczające model symulują szorstkość terenu, aby dokładnie odwzorować warunki otoczenia.
Stworzenie przykładu walidacyjnego dla symulacji CFD (Computational Fluid Dynamics) w RWIND, z wykorzystaniem danych eksperymentalnych z Uniwersytetu w Aachen, wymaga systematycznego procesu. Oto instrukcja krok po kroku: === Krok 1: Definiowanie celów walidacji === * '''Cel''' : W tej części wyjaśniamy, dlaczego przeprowadzamy tę walidację. Typowym celem jest weryfikacja dokładności wyników RWIND w porównaniu z fizycznymi danymi eksperymentalnymi. * '''Zakres''' : Docelowe wyniki walidacji obejmują wartości ciśnienia wiatru na zdefiniowanych czujnikach oraz siły podstawowe zależne od różnych kierunków wiatru. === Krok 2: Zbierz dane eksperymentalne z testu w tunelu aerodynamicznym === * '''Akwizycja danych''' : Zbierz wszystkie niezbędne dane eksperymentalne, takie jak prędkość i kierunek wiatru, pomiary ciśnienia i wszelkie istotne warunki brzegowe. * '''Format danych''' : Należy upewnić się, że format danych może być przetwarzany przez RWIND, taki jak plik tekstowy lub arkusz kalkulacyjny, oraz czy format danych jest zgodny z jednostkami i skalą wymaganymi przez RWIND. Tutaj znajduje się link do FAQ, w jaki sposób można wprowadzić dane eksperymentalne do RWIND: * '''Kontrola jakości''' : Dane należy sprawdzić pod kątem kompletności i dokładności. Należy upewnić się, że dane obejmują zakres warunków, które planujesz symulować. === Krok 3: Konfiguracja modelu w RWIND === * '''Import geometrii''' : Utwórz lub zaimportuj geometrię badanej konstrukcji (na przykład budynku lub mostu). Można to zamodelować bezpośrednio w RWIND lub zaimportować z programu RFEM lub CAD (zdjęcie 3). * '''Warunki brzegowe''' : Należy zastosować takie same warunki brzegowe, jak w układzie eksperymentalnym. Obejmuje to określenie prędkości wiatru, intensywności turbulencji i innych wymaganych współczynników (zdjęcie 4). * '''Tworzenie siatki''' : Wygeneruj siatkę obliczeniową odpowiednią dla swojego badania (rysunek 5). Ten krok obejmuje podział geometrii na mniejsze elementy, które RWIND wykorzystuje do obliczeń. Należy upewnić się, że siatka jest wystarczająco cienka w obszarach o dużym nachyleniu (np. wokół krawędzi lub na powierzchniach, na których można spodziewać się przepływu turbulentnego). Powtarzaj obliczenia ze wzrostem gęstości siatki, aż wyniki będą prawie takie same. === Krok 4: Uruchamianie symulacji === * '''Wstępny przebieg testowy''' : Rozpocznij od uruchomienia testowego, aby zidentyfikować problemy z instalacją. Sprawdź jakość siatki, warunki brzegowe i problemy ze zbieżnością. * '''Pełna symulacja''' : Po pomyślnym zakończeniu przebiegu testowego należy przejść do pełnej symulacji. Można monitorować symulację pod kątem zbieżności i stateczności, w razie potrzeby wprowadzać odpowiednie poprawki. === Krok 5: Wyniki obróbki końcowej === * '''Wyodrębnianie danych''' : Wyniki symulacji wraz z wypadkową siłą wiatru i rozkładami ciśnienia dla zdefiniowanych punktów pomiarowych można eksportować z RWIND w celu porównania z danymi eksperymentalnymi. * '''Wizualizacja''' : Skorzystaj z narzędzi RWIND, aby zwizualizować schematy przepływu i rozkłady ciśnienia. Twórz wykresy, wykresy lub wizualizacje 3D, aby lepiej interpretować wyniki. === Krok 6: Porównanie wyników z danymi eksperymentalnymi === * '''Wyrównanie danych''' : Upewnij się, że dane symulacyjne i eksperymentalne są zgodne pod względem lokalizacji w przestrzeni, jednostek i skali. * '''Analiza statystyczna''' : Przeprowadź statystyczne porównanie danych symulacyjnych z danymi eksperymentalnymi. Oblicz metryki odchylenia, takie jak współczynniki korelacji, w celu ilościowego określenia dokładności. Oto wypadkowe siły podstawowe w zależności od różnych kierunków wiatru, przeanalizowane w RWIND i porównane z badaniem eksperymentalnym (zdjęcie 6). Do obliczeń podstawowych sił wykorzystano model turbulencji k-epsilon, uwzględniając zarówno niski, jak i wysoki poziom intensywności turbulencji. Wyniki o wyższej intensywności turbulencji okazały się być bardziej zbieżne z badaniem eksperymentalnym, z odchyleniem wynoszącym około 6%. Drugim parametrem są wartości ciśnienia wiatru obliczone w punktach pomiarowych zarówno w badaniu numerycznym, jak i eksperymentalnym (rys. 7). W RWIND zastosowano standardowe modele k-epsilon i k-omega SST, aby porównać wartości ciśnienia wiatru z wynikami eksperymentalnymi. Analiza statystyczna wskazuje, że model k-omega SST zapewnia trend bliższy wynikom eksperymentalnym zgodnie ze współczynnikiem korelacji (R=0,98) i współczynnikiem determinacji (R2 =0,96) na rysunku 8. === Krok 8: Dokumentacja i raportowanie === Dokumentuj cały proces walidacji, w tym konfigurację, parametry symulacji, metodologię porównania i wyniki. Podkreśl wszelkie odchylenia od danych eksperymentalnych wraz z potencjalnymi przyczynami. Zapewnia wgląd w dokładność modelu CFD i w razie potrzeby sugeruje ulepszenia lub dalsze kroki walidacji.
