Контрольный пример для CFD моделирования с использованием экспериментальных данных от аэродинамической трубы от университета RWTH в Аахене

Контрольные примеры вычислительного гидродинамического моделирования (CFD) с использованием экспериментальных исследований (рисунок 1) являются решающим шагом в проверке точности расчётных моделей. Этот процесс включает в себя подробное сравнение результатов, полученных в результате моделирования CFD, с результатами, полученными в реальных экспериментах. Это гарантирует, что моделирование можно надёжно использовать для прогнозирования аэродинамического моделирования в различных приложениях, от инженерного до расчёта окружающей среды. Проверка моделей CFD на основе экспериментальных данных помогает выявить несоответствия и внести коррективы в параметры модели, модели турбулентности или численные методы. В конечном счете, этот итерационный процесс вселяет доверие к прогностическим возможностям моделирования и гарантирует, что модель CFD может отражать явления реального мира.

На текущем примере, который является результатом сотрудничества между компанией Dlubal Software и RWTH-Ахенским университетом, мы обрисуем основные шаги по внедрению CFD моделирования в программе RWIND на основе экспериментальных данных. Мы очень благодарны проф. Франку Кемперу и Dipl.-Ing. Timko Friehe из Аахенского университета за предоставление экспериментальных данных в аэродинамической трубе и их неоценимую поддержку на протяжении всего проекта.

На рисунках 1 и 2 показана экспериментальная модель, представленная в виде трехмерного прямоугольного здания в аэродинамической трубе. В основную модель включены специальные модули для измерения основных параметров, таких как значения давления ветра или коэффициент давления ветра. Небольшие блоки, окружающие модель, имитируют пересеченную местность для точного отражения окружающих условий.

1 Экспериментальные испытания в аэродинамической трубе – Университет Ахена

2 Экспериментальное испытание в аэродинамической трубе – Университет Ахена

Создание контрольного примера для моделирования CFD (вычислительная гидродинамика) в программе RWIND с использованием экспериментальных данных из Аахенского университета требует систематического процесса. Вот пошаговое руководство:

Шаг 1: Определение целей валидации

• Цель : В этой части мы установим, почему мы проводим эту проверку. Общая цель - проверить точность результатов RWIND по сравнению с данными физических экспериментов.

• Область применения : Целевые результаты для проверок включают в себя значения давления ветра на определенных датчиках и основные силы в соответствии с различными направлениями ветра.

Шаг 2: Сбор экспериментальных данных из испытаний в аэродинамической трубе

• Сбор данных : Соберите все необходимые экспериментальные данные, такие как скорость и направление ветра, измерения давления и любые соответствующие граничные условия.

• Формат данных : Убедитесь, что данные представлены в формате, доступном для обработки RWIND, например, текстовые файлы или электронные таблицы, и подтвердите, что они соответствуют единицам измерения и масштабу, требуемым RWIND. Вот ссылка на FAQ о том, как ввести экспериментальные данные в RWIND:

• faq | Внедрение экспериментальных данных об аэродинамической трубе в программу RWIND

• Проверка качества : Проверьте данные на полноту и точность. Убедитесь, что данные покрывают диапазон условий, которые вы планируете моделировать.

Шаг 3: Настройка модели в RWIND

• Импорт геометрии : Создайте или импортируйте геометрию изучаемой конструкции (например, здания или моста). Его можно смоделировать непосредственно в RWIND или импортировать из RFEM или программы CAD (рисунок 3).

3 Внедрение экспериментальной модели в RWIND

• Граничные условия : Примените те же граничные условия, что и в экспериментальной установке. Это включает в себя указание скорости ветра, интенсивности турбулентности и других необходимых коэффициентов (рисунок 4).

4 Вводные данные в RWIND

• Создание сетки : Создайте вычислительную сетку, подходящую для вашего исследования (рисунок 5). Этот шаг включает в себя дискретизацию геометрии на более мелкие элементы, которые RWIND использует для вычислений. Убедитесь, что сетка достаточно мелкая в областях с большими уклонами (например, по краям или на поверхностях с ожидаемым турбулентным потоком). Повторите расчет с увеличением плотности сетки, пока результаты не будут почти одинаковыми.

5 Генерация сетки в RWIND

Шаг 4: Запуск моделирования

• Первый тестовый прогон : Начните с пробного запуска, чтобы выявить любые проблемы с установкой. Проверьте качество сетки, граничные условия и любые проблемы со сходимостью.

• Полное моделирование : После успешного тестового прогона, приступим к полному моделированию. Контролируйте моделирование на сходимость и устойчивость и при необходимости вносите коррективы.

Шаг 5: Результаты постобработки

• Извлечение данных : Экспортируйте результаты моделирования, включая результирующую силу ветра и распределения давления для заданных точек измерения из RWIND, чтобы сравнить с экспериментальными данными.

• Визуализация : Используйте инструменты постобработки RWIND для визуализации структурных потоков и распределения давления. Создавайте эпюры, графики или 3D-визуализации для более точной интерпретации результатов.

Шаг 6: Сравните результаты с экспериментальными данными

• Выравнивание данных : Убедитесь, что данные моделирования и эксперимента приведены в соответствие с пространственным местоположением, единицами измерения и масштабами.

• Статический расчет : Выполните статистическое сравнение между моделированием и экспериментальными данными. Рассчитайте метрики отклонения, такие как коэффициенты корреляции, для количественной оценки точности.

Здесь представлены результирующие основные силы в соответствии с различными направлениями ветра, проанализированные в RWIND и в сравнении с экспериментальным исследованием (рисунок 6). Для расчётов основных сил использовалась модель турбулентности k-ε, учитывающая как низкий, так и высокий уровень интенсивности турбулентности. Результаты с более высокой интенсивностью турбулентности показали большее соответствие с экспериментальным исследованием, с отклонением приблизительно на 6%.

6 Результирующие силы на основании конструкции

Второй параметр - это значения давления ветра, рассчитанные в точках измерения как при численном, так и при экспериментальном исследовании (рисунок 7). Для сравнения этих значений давления ветра с экспериментальными результатами использовались в программе RWIND стандартные модели k-epsilon и k-omega SST. Статистический анализ показывает, что модель k-omega SST обеспечивает более близкую тенденцию к экспериментальным результатам, согласно коэффициенту корреляции (R = 0,98) и коэффициенту детерминации (R² = 0,96) на рисунке 8.

7 Значения давления ветра для двух моделей турбулентности в сравнении с RWIND

8 Статистические параметры для сравнения результатов численных и экспериментальных значений

Шаг 8: Документация и отчетность

Задокументируйте весь процесс валидации, включая установку, параметры моделирования, методологию сравнения и результаты. Выделите любые отклонения от экспериментальных данных и их возможные причины. Мы предоставим вам оценку точности модели CFD' и, при необходимости, предложим улучшения или дальнейшие шаги по проверке.

128x

41x

Контрольный пример с экспериментальными данными