Historia de Usuario
En este ejemplo, vamos a calcular el coeficiente de presión eólica promediado (Cp), que pertenece al Grupo 2, según la Figura 2.2 en 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, examen en túnel de viento de clase G3).
- R2: Solitario, todas las direcciones de viento relevantes con una resolución direccional suficientemente fina.
- Z2: Valores medios estadísticos y desviaciones estándar, siempre que involucren procesos de flujo estacionario, para los cuales una verificación estadística de las fluctuaciones con un factor de pico es suficiente.
- S1: Efectos estáticos. Son suficientes para representar el modelo estructural con el detalle mecánico necesario, pero sin propiedades de masa y amortiguamiento.
Descripción
Este caso de verificación, basado en el documento del WTG alemán: Hoja informativa del Comité 3 - Simulación numérica de flujos de viento, Capítulo 9.2 (ver referencias), compara cálculos de dinámica de fluidos computacional de coeficientes de presión eólica con datos experimentales de la base de datos aerodinámica de la Universidad Politécnica de Tokio (TPU) (ver referencias). El análisis se centra en un modelo de edificio de gran altura (relación 2:1:5). Los datos del túnel de viento de capa límite de TPU – rigurosamente validados a través de estudios revisados por pares y públicamente accesibles a través de su portal de ingeniería eólica – proporcionan métricas de referencia para evaluar la precisión del modelado de turbulencia y los efectos de sensibilidad de la malla. Los parámetros clave de comparación incluyen valores medios de coeficientes de presión en zonas críticas del edificio (cara de barlovento, paredes laterales, regiones de separación de sotavento).
| Propiedades del Fluido | Viscosidad Cinemática | ν | 1.500e-5 | m2/s |
| Densidad | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Túnel de Viento | Longitud | Dx | 2720.000 | m |
| Anchura | Dy | 900.000 | m | |
| Altura | Dz | 720.000 | m | |
| Edificio | Anchura | B | 80.000 | m |
| Profundidad | D | 40.000 | m | |
| Altura | H | 200.000 | m | |
| Parámetros de Cálculo | Velocidad de Referencia | uref | 22.000 | m/s |
| Altura de Referencia | zref | 10.000 | m | |
| Constante de von Kármán | κ | 0.410 | ||
| Constante de Viscosidad Turbulenta | Cμ | 0.090 | ||
| Longitud de Rugosidad Superficial Aerodinámica | z0 | 1.000 | m |
Solución Analítica
No hay una solución analítica disponible. El ejemplo proporciona una comparación de los resultados de la simulación CFD de RWIND y datos experimentales (Base de Datos Aerodinámica de TPU).
El perfil de velocidad del viento se calcula a partir de la Ley de Potencia según la siguiente fórmula:
donde el exponente del perfil α se define como
La intensidad de turbulencia se toma de la Base de Datos Aerodinámica de TPU según el siguiente gráfico para α=0.25.
Configuración de la Simulación en RWIND
- Modelado en RWIND 3.04
- Tipo de simulación de flujo transitorio
- La densidad de malla es del 20% con refinamientos: 5,698,702 celdas
- Modelo Spalart-Allmaras DDES
- Condición de contorno de entrada - perfil de velocidad y perfil de intensidad de turbulencia
- Fondo del túnel - condición de contorno de no deslizamiento
- Paredes y techo del túnel - condición de contorno de deslizamiento
- Condición de contorno de salida - presión cero; gradiente de velocidad cero
Requisito de Precisión WTG-Merkblatt M3
El WTG-Merkblatt M3 proporciona dos métodos clave para validar los resultados de la simulación. El método de la Tasa de Aciertos (q) 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 promedio 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
Los valores deseados del parámetro de tasa de aciertos q son más del 90% y el error cuadrático medio relativo debe ser inferior a 0.01. De la siguiente tabla, queda claro que la comparación de los datos experimentales de TPU con los resultados de la simulación de flujo en RWIND no cumple con los requisitos.
| Superficie | q [%] para Wrel = 10% | q [%] para Wrel = 20% | e2 [1] |
| Barlovento | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Lateral Derecho | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lateral Izquierdo | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Sotavento | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
En los siguientes gráficos, los coeficientes de presión eólica promedio obtenidos mediante la simulación de RWIND se comparan con los valores medios de las series temporales en los puntos de prueba medidos mediante la Base de Datos Aerodinámica de TPU. Las comparaciones se llevan a cabo en las superficies de barlovento, lateral derecha, lateral izquierda y sotavento del edificio.
Los gráficos muestran una concordancia muy buena en la superficie de barlovento. Los coeficientes de presión eólica son cruciales para las cargas del edificio, especialmente en esta superficie. En el caso de otras superficies, se observa una buena concordancia entre la tendencia de los resultados de la simulación y el experimento.
Observación: Los datos experimentales mostrados en los gráficos se representan sobre la base de archivos de datos obtenidos del sitio web de TPU. Sin embargo, los gráficos mostrados en el sitio web de TPU coinciden con los archivos de datos solo en el caso de la superficie de barlovento.
