Caso de Uso
En este ejemplo, vamos a calcular el coeficiente medio de fuerza y momento para Universidad Politécnica de Tokio (TPU) como un ejemplo experimental (M0/S0), como los aplicables al proceso de diseño estructural basado en el WTG-Merkblatt-M3.
Esta parte de los resultados pertenece al Grupo 1 según la Figura 2.2 del WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Valores absolutos con requisitos de precisión media. El área de aplicación puede incluir parámetros o estudios preliminares cuando se planean investigaciones posteriores con mayor precisión (por ejemplo, ensayos en túnel de viento de clase G3).
- R2: Solitario, todas las direcciones del viento relevantes con una resolución direccional suficientemente fina.
- Z1: Valores medios estadísticos, siempre que se refieran a procesos de flujo estacionarios donde las fluctuaciones (por ejemplo, debidas a la turbulencia del flujo incidente) puedan captarse suficientemente mediante otras medidas.
- S1: Efectos estáticos. Es suficiente representar el modelo estructural con el detalle mecánico necesario, pero sin propiedades de masa y amortiguamiento.
Descripción
Al investigar el comportamiento aerodinámico en diferentes planos, esta comparación pretende proporcionar una comprensión más completa de la distribución de fuerzas. Tales conocimientos son críticos para evaluar la estabilidad general del modelo, el rendimiento aerodinámico y la respuesta estructural bajo condiciones de flujo. Los perfiles de entrada de velocidad media e intensidad de turbulencia reproducidos en el túnel de viento corresponden a los de la Categoría de Terreno IV según la norma del Instituto de Arquitectura de Japón (AIJ). El exponente de 0.25 citado en algunas figuras fue clasificado como un error tipográfico tras una consulta. El modelo asumido se muestra en la Imagen 1:
Las suposiciones subyacentes al análisis y las simulaciones se resumen en la Tabla 1, proporcionando una visión clara de los parámetros y condiciones considerados a lo largo del estudio.:
Tabla 1: Datos de entrada del modelo rectangular 3D
| Parámetro | Símbolo | Valor | Unidad |
|---|---|---|---|
| Velocidad del Viento de Referencia | UH | 11 | m/s |
| Altura de la Cubierta | Href | 0.4 | m |
| Exponente del Perfil | α | 0.25 | - |
| Categoría de Terreno | - | IV | - |
| Densidad del Aire – RWIND | ρ | 1.25 | kg/m³ |
| Modelo de Turbulencia – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Viscosidad Cinemática – RWIND | ν | 1.5×10⁻⁵ | m²/s |
| Orden del Esquema – RWIND | Segundo | - | - |
| Valor Objetivo Residual – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Tipo Residual – RWIND | Presión | - | - |
| Número Mínimo de Iteraciones – RWIND | 800 | - | - |
| Capa Límite – RWIND | NL | 10 | - |
| Tipo de Función de Pared – RWIND | Estándar | - | - |
Estudio de la Malla Computacional
La Imagen 2 resume un estudio de sensibilidad de malla, mostrando que a medida que la densidad de malla aumenta del 20% al 55%, el coeficiente de fuerza (Cf) aumenta de 0.95 a 1.05 y luego se estabiliza. Esto indica que la simulación alcanza la independencia de malla al 55%, lo que significa que un refinamiento adicional ya no cambia los resultados significativamente. La imagen destaca la importancia de la calidad de la malla para asegurar resultados de simulación de viento fiables.
Además, el estudio de la malla computacional debe realizarse de acuerdo con el siguiente enlace:
La Imagen 3 presenta un diagrama que compara los resultados de RWIND con datos experimentales, en relación con la representación de perfiles de velocidad del viento normalizados según la altura. Los resultados muestran una concordancia muy buena.
Requisito de Precisión del WTG-Merkblatt
El WTG-Merkblatt M3 proporciona dos métodos clave para validar los resultados de simulación. El método de la Tasa de Aciertos evalúa cuántos de los valores simulados Pi coinciden correctamente con los valores de referencia Oi dentro de una tolerancia definida, utilizando un enfoque de clasificación binaria (acierto o fallo). Este enfoque evalúa la fiabilidad de la simulación calculando una tasa de aciertos q, similar a las funciones de confianza utilizadas en la teoría de la fiabilidad. En contraste, el método del Error Cuadrático Medio Normalizado (e2) ofrece una evaluación de precisión más detallada al cuantificar la desviación cuadrática media entre los valores simulados y de referencia, normalizada para tener en cuenta las diferencias de escala. Juntos, estos métodos proporcionan medidas tanto cualitativas como cuantitativas para la validación de la simulación.
Resultados y Discusión
La Tabla 3 muestra una concordancia muy buena para la métrica de validación entre los resultados de RWIND y los datos de referencia del WTG para los valores de velocidad normalizada. Todas las desviaciones están en un rango aceptable (por debajo del 10%), por lo que la tasa de aciertos obtenida es q = 100%, y el error cuadrático medio normalizado e2 = 0.00001 es extremadamente bajo. Estos resultados confirman que RWIND reproduce con precisión el perfil de viento de referencia y cumple con criterios de validación estrictos.
Tabla 3: Métrica de Validación para el Perfil de Velocidad
| WTG - u / uref | RWIND - u / uref | Desviación (%) | n |
|---|---|---|---|
| 0.394 | 0.390 | 1.045 | 1.00 |
| 0.478 | 0.473 | 1.093 | 1.00 |
| 0.566 | 0.564 | 0.291 | 1.00 |
| 0.629 | 0.629 | 0.081 | 1.00 |
| 0.675 | 0.674 | 0.183 | 1.00 |
| 0.713 | 0.712 | 0.072 | 1.00 |
| 0.750 | 0.753 | 0.422 | 1.00 |
| 0.784 | 0.783 | 0.098 | 1.00 |
| 0.822 | 0.819 | 0.362 | 1.00 |
| 0.869 | 0.865 | 0.463 | 1.00 |
| 0.897 | 0.901 | 0.496 | 1.00 |
| 0.939 | 0.940 | 0.113 | 1.00 |
| 1.010 | 1.005 | 0.493 | 1.00 |
| 1.065 | 1.070 | 0.540 | 1.00 |
| 1.123 | 1.124 | 0.044 | 1.00 |
| 1.161 | 1.162 | 0.121 | 1.00 |
| 1.195 | 1.195 | 0.051 | 1.00 |
| 1.237 | 1.240 | 0.263 | 1.00 |
| 1.266 | 1.270 | 0.291 | 1.00 |
| 1.299 | 1.302 | 0.223 | 1.00 |
La Imagen 4 ilustra cómo se definen las zonas de superficie en RWIND para calcular con precisión los coeficientes de fuerza en cada cara de un modelo de edificio expuesto al viento. El modelo 3D, con una forma rectangular simple, tiene cada cara (frontal, trasera, izquierda, derecha y superior) asignada a una zona distinta codificada por colores. Estas zonas permiten a RWIND analizar y calcular por separado las fuerzas aerodinámicas y la distribución de presiones de forma independiente para cada superficie. En lugar de colocar numerosas sondas puntuales, optamos por definir zonas de superficie, ya que RWIND puede determinar directamente el coeficiente de fuerza para cada zona definida.
En el centro de la Imagen 4, la ventana "Editar Zona" está abierta para la Zona No. 2 – Frontal como ejemplo. Esta salida detallada incluye parámetros aerodinámicos clave. El área proyectada de esta zona en la dirección del viento es de 0.04 m². La fuerza de arrastre calculada en esta superficie es de 1.7 N, y el coeficiente de fuerza correspondiente (Cx) es de 0.56. En la siguiente fórmula, se calcula como ejemplo el coeficiente de fuerza del viento (coeficiente de fuerza aerodinámica) para una zona de presión específica. Este valor se puede comparar luego con el valor mostrado en la pestaña Info del cuadro de diálogo Editar Datos del Modelo.
La Imagen 5 muestra los resultados de postprocesamiento de una simulación de viento realizada para un edificio de gran altura utilizando el modelo de turbulencia k-omega. En el lado derecho de la imagen, una tabla comparativa muestra los coeficientes de fuerza obtenidos de la simulación CFD junto con los valores de referencia de la directriz WTG. La superficie frontal tiene un coeficiente de fuerza de 0.562, en comparación con la referencia WTG de 0.540, lo que corresponde a una desviación del 4.07%. La superficie trasera, que está sujeta a presión negativa debido a los efectos de estela, muestra una desviación ligeramente mayor del 6.09%. Las superficies laterales también muestran diferencias menores, con desviaciones que oscilan entre el 3.68% y el 5.38%. Notablemente, el coeficiente de fuerza total en la dirección del viento, que representa el efecto de arrastre global, muestra solo una desviación del 1.95%, destacando la precisión y fiabilidad de la simulación CFD para capturar el comportamiento aerodinámico general de la estructura.
Los valores de fuerza reales en newtons para cada cara del edificio se muestran debajo de esta tabla. La superficie frontal está sujeta a una fuerza de arrastre positiva de 1.7 N, mientras que las superficies trasera, derecha e izquierda experimentan fuerzas negativas debido a la succión y el arrastre lateral. La fuerza neta total en la dirección del viento asciende a 3.2 N, coincidiendo con la salida de fuerza global indicada en el resumen de la malla. La simulación utilizó una velocidad del viento de referencia de 11 m/s y un área de cara de 0.04 m².
La Tabla 4 muestra que RWIND replica con precisión los coeficientes de fuerza media de referencia del WTG en todas las superficies, con desviaciones que van del 1.95% al 6.09% y q=100% como tasa de aciertos. El bajo error cuadrático medio normalizado e2=0.0015 confirma una fuerte concordancia entre la simulación y las mediciones, cumpliendo eficazmente con los estándares de validación.
Tabla 4: Métrica de Validación para los Coeficientes de Fuerza Media entre WTG y RWIND
| Coeficiente de Fuerza | Cf,media – WTG | Cf – RWIND – k-omega | Desviación (%) | n |
|---|---|---|---|---|
| Superficie frontal | 0.540 | 0.562 | 4.07 | 1.00 |
| Superficie trasera | –0.528 | –0.496 | 6.09 | 1.00 |
| Superficie lateral derecha | –0.829 | –0.860 | 3.68 | 1.00 |
| Superficie lateral izquierda | –0.847 | –0.893 | 5.38 | 1.00 |
| Fuerza total en dirección del viento | 1.070 | 1.058 | 1.95 | 1.00 |
| Fuerza total en dirección transversal al viento | 0.018 | 0.020 | 10.00 | 1.00 |
| Momento en dirección del viento | 0.582 | 0.520 | 10.65 | 1.00 |
| Momento en dirección transversal al viento | 0.010 | 0.0099 | 1.00 | 1.00 |
