Symulacja obciążenia wiatrem może odgrywać kluczową rolę w projektowaniu konstrukcji, zwłaszcza w przypadku wysokich budynków, w których siły wiatru znacząco wpływają na stateczność konstrukcji, komfort użytkowników i środowisko. Dlatego też złożone schematy przepływu wiatru, mające wpływ na rozkład ciśnienia, przepływ powietrza i lokalny mikroklimat, muszą być wizualizowane i przewidywane, aby budynki te spełniały wymagania nie tylko pod względem estetyki i atrakcyjności wizualnej, ale także bezpieczeństwa i sprężystości.
Aby uwzględnić te czynniki w obliczeniach, Dlubal Software oferuje RWIND 3, program opracowany specjalnie do symulacji przepływu powietrza wokół obiektów w wirtualnym tunelu aerodynamicznym. Wykorzystując numeryczny model CFD (Computational Fluid Dynamics) symulacja generuje dokładne obciążenia wiatrem do zastosowania w RFEM lub RSTAB. Dlatego RWIND 3 może działać jako samodzielny program lub być zintegrowany z programami RFEM i RSTAB, umożliwiając kompleksową analizę statyczno-wytrzymałościową.
Poniższy tekst przedstawia korzyści wynikające z zastosowania CFD, w szczególności w porównaniu z konwencjonalnymi testami w tunelu aerodynamicznym. Główna różnica między CFD a testowaniem w tunelu aerodynamicznym polega na ich metodologii, kosztach, elastyczności i zdolności do radzenia sobie ze złożonymi scenariuszami, które zostaną omówione w dalszej części. Na razie ważne jest, aby uznać, że CFD wykorzystuje algorytmy matematyczne i metody numeryczne do cyfrowego modelowania zachowania cieczy, wykorzystując techniki dyskretyzacji do analizy ruchu powietrza lub cieczy. Z drugiej strony, testy w tunelu aerodynamicznym umieszczają modele fizyczne w kontrolowanym środowisku wiatrowym, gdzie za pomocą czujników i manometrów gromadzone są rzeczywiste dane dotyczące przepływu powietrza, zapewniające bezpośrednie wyniki eksperymentalne. W tym kontekście możemy dokładniej zbadać, czym różnią się te dwie metody, i podkreślić zalety CFD.
1. Efektywność kosztowa
Symulacje CFD mogą być bardziej opłacalne niż budowa i konserwacja tuneli aerodynamicznych, zwłaszcza w przypadku złożonych eksperymentów obejmujących wiele konfiguracji. Chociaż początkowa inwestycja w oprogramowanie CFD i zasoby obliczeniowe może być znaczna, po jej dokonaniu można przeprowadzić szeroką gamę symulacji bez ponoszenia dodatkowych kosztów materiałów i personelu. Ponadto do analizy poszczególnych wariantów potrzeba mniej zasobów. Testy w tunelu aerodynamicznym, zwłaszcza w przypadku dużych modeli, mogą być kosztowne, a każdy test wymaga czasu i wysiłku.
2. Elastyczność i możliwości modyfikacji
CFD umożliwia szybkie projektowanie, iterację i analizę, co pozwala na łatwe dostosowywanie parametrów, takich jak prędkość wiatru, gęstość i temperatura, a także uwzględnienie dodatkowych współczynników. Pozwala to na szybkie przeprowadzanie i modyfikowanie symulacji bez fizycznych zmian w konfiguracji, wymaganych w testach w tunelu aerodynamicznym, gdzie modyfikacje często wiążą się z tworzeniem nowych modeli lub modyfikowaniem już istniejących. Przeprowadzenie wielu scenariuszy w krótkim czasie jest mniej wykonalne w przypadku testowania w tunelu aerodynamicznym, co czyni CFD lepszym pod tym względem.
3. Efektywność czasowa
Korzyść ta wynika bezpośrednio z omówionej wcześniej elastyczności, umożliwiającej szybkie dostosowywanie parametrów bez fizycznych modyfikacji ustawień. Jak podkreślono wcześniej, CFD umożliwia szybkie uruchomienie wielu scenariuszy, oferując wyraźną przewagę pod względem wydajności czasowej.
4. Możliwości symulacji
CFD zapewnia bardzo szczegółową wizualizację charakterystyk przepływu, rozkładu ciśnienia i zmian temperatury z niezwykłą ziarnistością. Pozwala to na dokładną analizę scenariuszy, które mogą być trudne do zamodelowania w fizycznym tunelu aerodynamicznym ze względu na ograniczenia dotyczące rozmiaru lub prędkości, takie jak ekstremalnie duże prędkości lub skomplikowana geometria. CFD może symulować te warunki jako wolne od ograniczeń fizycznych. Chociaż tunele aerodynamiczne fizycznie odwzorowują przepływ powietrza i często zapewniają większą dokładność w symulowaniu interakcji między powietrzem a obiektem, są one ograniczone do danych z określonych punktów pomiarowych i dostarczają mniej szczegółowych informacji w porównaniu z CFD.
5. Dostępność
Postępy w tworzeniu oprogramowania i przetwarzaniu w chmurze sprawiły, że obliczeniowa mechanika płynów (CFD) jest znacznie bardziej dostępna, otwierając ją dla szerszego grona odbiorców. Narzędzia CFD typu open source, takie jak OpenFOAM, zapewniają bezpłatny dostęp do niezawodnych funkcji symulacji. Ponieważ CFD można przeprowadzać w całości w środowisku wirtualnym, umożliwia to naukowcom nieposiadającym dostępu do tuneli aerodynamicznych przeprowadzanie szczegółowych badań i analiz.
6. Integracja z nowoczesnymi technologiami
Kolejną zaletą nowoczesnych narzędzi CFD jest ich integracja z innym oprogramowaniem inżynierskim, co usprawnia przepływ pracy od projektu do symulacji i umożliwia multidyscyplinarne podejście do projektowania i analizy. Doskonałym przykładem jest zastosowanie narzędzi CFD w programach RFEM i RSTAB firmy Dlubal, zapewniających kompletne rozwiązanie do analizy statyczno-wytrzymałościowej i wymiarowania.
Zakończenie
Testy CFD i w tunelu aerodynamicznym różnią się nie tylko metodologią, ale także wymaganiami dotyczącymi zasobów i czasu, elastycznością, zdolnością do radzenia sobie ze złożonymi scenariuszami, dostępnością dla użytkownika oraz integracją z innym oprogramowaniem. Niniejszy tekst zwraca uwagę na zalety CFD w tych obszarach, w tym na dużą elastyczność i szczegółowość przy niższych kosztach bieżących oraz możliwość badania zachowania powietrza w złożonych konstrukcjach. Należy jednak pamiętać, że pomimo tych zalet, testy w tunelu aerodynamicznym mają kluczowe znaczenie dla walidacji modeli CFD i uchwycenia zjawisk, których precyzyjne symulowanie może być trudne. Podsumowując, CFD jest szczególnie cenna w przypadku badań projektowych, testowania prototypów i analizy złożonych, dynamicznych scenariuszy, które trudno odtworzyć w tunelu aerodynamicznym, podczas gdy testowanie w tunelu aerodynamicznym służy jako ostatni krok do walidacji modeli i przeprowadzania dokładnych ocen aerodynamicznych. W większości przypadków połączenie CFD z badaniem w tunelu aerodynamicznym oferuje to, co najlepsze z obu metod, dzięki ich uzupełniającym się zaletom.