RWTH-Aachen University 天线模型 CFD 模拟验证示例

介绍

在风工程领域，准确的建模和验证对于确保天线等各种风荷载敏感结构的空气动力学性能至关重要（图 1）。 这类结构通常具有细长的几何形状、自重轻且高度大，在风荷载作用下非常容易受到影响。 由于这些构件具有很大的表面积与质量比， 尤其是天线，在设计和分析过程中需要格外注意，以确保其长期稳定性、功能性和安全性。 为了准确预测风压力和风响应，通常采用风洞测试、计算模拟和现场测量的方法。 正确的评估和减轻策略不仅对于防止结构损坏，对于保持连续的操作性能也是必不可少的，特别是在关键的通信或监控应用中。 当前的验证示例中的力系数分别在 RWIND 中的 CFD 模拟和 RWTH Achen University 的实验研究 [1] 中得到。

1 高翘风洞试验

为了应对这些挑战，需要对计算模型进行严格的验证，以确保理论预测与实际性能保持一致。 例如通过实验测试和计算流体动力学（CFD）分析来验证天线风荷载模拟。 该过程使工程师可以优化模型，提高准确性，并提高天线结构在各种环境条件下的整体可靠性。

我们与工程和应用科学领域的领先高校 RWTH Aachen University 合作，对天线结构在风荷载作用下的作用进行实际研究。 通过将理论方法与经验数据相结合，本研究旨在验证模拟与实际情况之间的关系，为开发更安全、弹性更强的天线设计做出贡献。 该研究强调了验证在风工程中的重要性，并展示了学术界与工业界的合作如何在实际应用中带来更精确的建模技术并提高结构性能。

项目介绍

当前的验证示例中的力系数分别在 RWIND 中的 CFD 模拟和 RWTH Achen University 的实验研究 [1] 中得到。 该模型是 RWIND 中的三个锋利天线，位于作为地平面或风洞地板的格栅表面上方。 模型中的一些尺寸标注是显示的，表示具体尺寸： 天线的总高度为0.50 m；它的底部高出地面0.20米，如图2所示。

2 RWIND 中三个尖角天线模型

输入数据和假设条件

下表列出了风洞模拟所需的假设：

计算网格算例

在 CFD 分析中，计算性网格分析非常重要，因为它直接影响到结果的准确性和可靠性。 网格精细化可以提高精度，但是过度细化会增加计算成本，而且好处也少。 因此，网格敏感性算例有助于在准确性和效率之间找到最佳平衡，从而可以根据实际资源做出更好的决策。 右下角显示的表格对网格密度在 10% 到 30% 之间的比较，以及相应的力系数 (C_f )。

3 Computational Mesh Study for Three Sharp-Edged Antennas in RWIND

更多关于计算性网格分析的信息：

• 计算网格算例

结果与讨论

图 4 显示了作用在天线结构上的风力系数的实验数据和模拟数据的对比分析。 在图像的中心，一个折线图显示了力的系数 C_f与风向 θ 的关系，单位为度，从 0^°到 360^° 。 纵轴表示荷载系数C_f ，取值范围为0.0～1.0，横轴表示每隔30度一次的风向。 在图形上绘制了两个数据集： 带有三角形标记的黑线表示实验测量值，带有圆形标记的绿线表示使用 RWIND 获得的模拟结果。

更多关于如何在 RWIND 中计算风荷载系数的信息：

• 风荷载系数 RWIND

从图中可以看出，实验结果和 RWIND 计算结果都遵循类似的趋势，表明两者之间具有很高的一致性. 通常，荷载系数具有周期性，在风向约为 60^°和 180^°时出现明显的下降，此时 C_f的值最小。 在 0^° 、120^° 、240^°和 330^°处可以观察到峰值，这里是结构承受最大的风荷载。 这两条曲线非常接近，说明 RWIND 准确地捕捉到了结构的气动响应，与实验数据的平均偏差在5%左右。

4 RWIND 与实验数据的风力系数比较

总的来说，本研究有效地研究了如何根据物理实验结果来验证风洞数值模拟的过程。 结果表明 RWIND 软件在模拟各种风向的实验数据方面具有很好的再现性，适用于预测天线桅杆等细长垂直结构上的风荷载。 通过将图形数据、结构视图和流场模拟相结合，可以清楚而全面地描述该研究的方法和结果。

此外，这里还提供RWTH Aachen University的单个锐边天线的示例：

• 天线单个锋利边缘示例来自 RWTH Aachen University

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天线风荷分析