RFEM и RWIND используются для создания модели натяжной мембранной конструкции, чтобы можно было начать моделирование ветра, а также реализовать важные критерии. RWIND — мощный инструмент для создания ветровых нагрузок на конструкции обычного вида и сложных форм. Решатель CFD — это программный пакет OpenFOAM® (версия 17.10), который даёт очень хорошие результаты и является широко используемым инструментом для моделирования CFD. Численный решатель является стационарным для несжимаемого турбулентного потока с использованием алгоритма SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations).
Ветровые нагрузки регулируются специальными нормами, такими как EN 1991-1-4, ASCE/SEI 7-16 или NBC 2015. RFEM - это хорошо оснащенная техническая программа для создания натяжных мембранных конструкций; он учитывает нелинейный поиск формы у предварительно напряжённых поверхностей двойной кривизны. На рисунке 02 показана численная диаграмма воздушного потока и моделирование по МКЭ для выполнения контрольного примера для натяжных мембранных конструкций.
Для численного определения уравнений в частных производных, необходимо дискретизировать все дифференциальные уравнения (пространственные и временные производные). Существует широкий спектр методов дискретизации с различными подходами с точки зрения точности, устойчивости и сходимости. Как правило, порядок дискретизации показывает, насколько точным является численное моделирование по сравнению с решениями исходных непрерывных уравнений. Численная дискретизация первого порядка обычно приводит к лучшей сходимости, чем схема второго порядка. В данном исследовании используется дискретизация второго порядка. Также при использовании численной схемы второго порядка рекомендуется увеличить минимальное количество итераций для достижения лучшей сходимости (Рисунок 03).
Контрольный пример
Чтобы проверить процесс моделирования ветра, разрабатывается модель двойной кривизны, как показано в {%://#Refer [1]]] {%://#Refer [2]]], и исследуются результаты. Масштаб модели с слегка изогнутой конструкцией выбран 1/25, такой же, как у экспериментальной модели в источнике {%://#Refer [3]]], изображающей кровлю hypar размером 10 м х 10 м х 1,25 м.. Для контрольного примера с углом θ=45o выполним расчет небольшой кривой. Сила предварительного растяжения для реального масштаба была на поверхности равна 2,5 кН/м, а механические свойства, такие как модуль Юнга и коэффициент Пуассона, были заданы как Ex =1000 кН/м. Ey =800 кН/м. Gxy =100 кН/м, vxy =0,20. На рисунке 04 показана геометрия модели двойной кривизны. Входная информация и ввод скорости ветра для CFD моделирования показаны на рисунке 05.
Размеры аэродинамической трубы
Важно отметить, что при определении размеров аэродинамической трубы могут быть ошибки, если они меньше, чем стандартные. На следующем рисунке показаны стандартные размеры аэродинамической трубы {%ref#Refer [3]]]. Кроме того, результаты зависят от размера ячеек, поэтому расчет должен быть выполнен как минимум для трех различных номеров ячеек, а когда результаты будут достаточно близки к предыдущему этапу, достигается независимость сетки (рисунок 06).
Вид сбоку на процесс генерирования сетки модели показан на рисунке 07; как видно, алгоритм уплотнения сетки применяется на близком расстоянии к поверхности модели.
Анализ решётки вычислений
Результаты при моделировании CFD зависят от размера ячеек, поэтому необходимо обеспечить независимость сетки хотя бы для трех различных количеств элементов сетки. Вот результаты значения Cp на центральной линии крыши; как видно, есть очень небольшие различия, которые показывают результаты моделирования ветра становятся независимыми от третьей сетки (рисунок 08).
Улучшенная функция стены
В программе RWIND используется функция смешанных стен (BWF), также известная как расширенная функция стен (EWF), которая показывает гораздо более высокую производительность, чем стандартная функция стен (SWF). Таким образом, можно быть уверены, что получите точные результаты для широкого диапазона чисел y+. BWF - не симметричная функция. У нас есть сплошная темная линия (как показано на рисунке 09), которая и есть прямое численное моделирование (DSN), которое мы пробуем воспроизвести. Однако сразу видно, что EWF определенно гораздо ближе к данным DVD, чем SWF. Таким образом, в буферной области между a y + 5 и 30 EWF определенно гораздо более точен по сравнению с SWF. Вот почему EWF часто рекомендуется при моделировании CFD {%><#Refer [4]]].
Диаграмма среднего давления и контур для двух моделей турбулентности показаны на рисунках 10 и 11. На основе центральной линии кровли hypar затем построим диаграмму распределения Cpe и сравниваем ее с экспериментальными данными испытаний в аэродинамической трубе. Значение Cp можно определить по следующему уравнению, где P - давление ветра в точке измерения, Pref - исходное давление (атмосферное давление), ρ - плотность воздуха, а Uref - исходная скорость, равная 15,3 м/с.
Как показано здесь, модель турбулентности K-omega показывает более высокие характеристики при прогнозировании коэффициента давления ветра, в данном исследовании модель турбулентности K-omega лучше, чем модели K-ε, отражает эффекты вихреобразования при отрицательном давлении ветра с высоким градиентом. Мы рекомендуем использовать эту модель турбулентности как более точный вариант взаимодействия ветра с конструкцией.
