В этом руководстве описаны основные шаги по разработке контрольного примера для CFD моделирования, от выбора подходящего физических сценариев до анализа и сравнения результатов. Тщательно выполняя эти шаги, инженеры и специалисты могут повысить достоверность своих моделей CFD и проложить путь к их эффективному применению в различных областях, таких как аэродинамика, аэрокосмические или экологические исследования.
Создание контрольного примера для вычислительной гидродинамики (CFD) в ветротехнике включает в себя несколько конкретных шагов, адаптированных к сложности воздушного потока и его взаимодействия с конструкциями и окружающей средой. Вот'пошаговое руководство:
1. Постановка задачи ветровой техники
- Четко укажите моделируемый сценарий ветра, например, воздушный поток вокруг зданий, мостов или других конструкций.
- Включите подробности о рельефе, характеристиках граничного слоя воздуха и любых соответствующих коэффициентах окружающей среды.
2. Выбор подходящего сравнительного случая
- Выберите хорошо задокументированный пример ветротехники с надежными экспериментальными или полевыми данными. Это могут быть как испытания в аэродинамической трубе, так и очные измерения.
- Случай должен быть очень похож на ваш сценарий с точки зрения геометрии, масштаба и ветровых условий.
Для нашего текущего исследования в качестве эталонного случая была выбрана научная статья [1] из журнала University of Wind Engineering. Модель показана на рисунке 1:
3. Разработка модели CFD
- Геометрия: создайте цифровую модель конструкции и окружающий ландшафт. Для зданий:
- Создание сетки : создайте сетку, которая точно отражает геометрию, уделяя особое внимание областям, где ожидаются высокие градиенты потока, таким как углы и края конструкций.
- Граничные и начальные условия: можно задать граничные условия, которые отражают профиль ветра (скорость и направление) на различных высотах, колебания температуры и условия давления.
- Настройки решателя: выберите подходящие решатели и модели турбулентности (например, k-ε или моделирование больших турбулентностей), которые, как известно, хорошо работают при моделировании ветровых нагрузок.
Исходные допущения учитываются согласно таблице 1.
| выровнять = влево | выровнять = влево | выровнять = влево | выровнять = влево |
| Основная скорость ветра | V | 10,13 | м/с |
| Высота кровли | h | 6 | m |
| Horizontal Dimension | α | 6 | m |
| угол кровли | θкровля | 0 | Степень |
| Плотность воздуха – RWIND | ρ | 1,25 | кг/м3 |
| Направления ветра | θветер | 0 | Степень |
| Модель турбулентности – RWIND | Установившаяся модель RANS k-ω SST | - | - |
| Кинематическая вязкость (формула 7.15, EN 1991-1-4) - RWIND | ν | 1,5*10-5 | м2/с |
| Порядок схемы – RWIND | Первая и вторая | - | - |
| Остаточное целевое значение - RWIND | 10-4 | - | - |
| Тип остатка - RWIND | Давление | - | - |
| Минимальное количество итераций - RWIND | 800 | - | - |
| Граничный слой – RWIND | NL | 10 | - |
| Тип функции стены — RWIND | Расширенный/Смешанный | - | - |
4. Запуск моделирования
- Выполняйте моделирование с учетом как установившихся, так и переходных реакций, поскольку воздушный поток может иметь значительные изменения во времени.
- Убедитесь, что моделирование выполняется достаточно долго, чтобы зафиксировать соответствующую динамику потока вокруг конструкций.
5. Процесс валидации
- Сравнить с контрольными данными : Сравните результаты моделирования с данными эталонного случая, уделяя особое внимание таким параметрам, как профили скорости ветра, распределение давления на конструкции или интенсивность турбулентности.
- Анализ ошибок : Выполните количественный анализ, чтобы оценить расхождения между вашим моделированием и эталонными данными.
- Анализ чувствительность : Проверьте, как изменения плотности сетки, граничных условий и моделей турбулентности влияют на ваши результаты.
В текущем примере анализ симметрии показан на рисунке 2. Результаты общих сил сопротивления исследуются для четырех различных сеток. Независимость сетки достигается при 1,6 миллиона ячеек.
6. Документация
- Тщательно задокументируйте свою методологию, включая допущения, граничные условия и все соответствующие настройки.
- Активируйте подробное сравнение ваших результатов с эталонными данными, уделив при этом особое внимание как совпадениям, так и расхождениям.
7. Итеративное уплотнение
- Если имеются значительные отклонения от контрольных данных, тогда уточните свою модель. Это может включать в себя настройку разрешения сетки, изменение моделей турбулентности или пересмотр граничных условий.
- Повторяйте процесс моделирования и проверки до тех пор, пока модель не будет надежно предсказывать работу воздушного потока.
8. Рассмотрение возможностей ветровых нагрузок
- При CFD-моделировании ветровых конструкций часто необходимо учитывать сложные явления, такие как вихреобразование, ударная нагрузка и эффекты спутного следа.
- Городская топология, эффекты рельефа и условия стабильности ветра могут существенно влиять на ветровой поток и должны быть включены в модель, где это необходимо.
9. Результаты
Диаграмма среднего значения Cp с помощью стационарного моделирования выполняется для упрощенного и точного метода создания сетки в RWIND, а также для первого и второго метода численной схемы. Результаты показывают хорошее соответствие между экспериментальным и численным методом относительно ссылки [1]. На рисунках 3 и 4 показано среднее значение Cp через указанную линию в вертикальном и горизонтальном направлении.
10. Заключение
Этот процесс проверки имеет решающее значение для обеспечения того, чтобы ваша модель CFD точно отображала сложность воздушного потока в инженерных приложениях. Это помогает укрепить доверие к результатам моделирования, которые затем можно использовать для проектных решений, оценки безопасности или дальнейших исследований. Контрольная модель доступна для скачивания здесь:
