Datos de Medición para Cargas de Viento en Estructuras Cilíndricas

Historia de usuario

Este ejemplo presenta mediciones experimentales de las fuerzas aerodinámicas y la distribución de presiones en un cilindro circular, que se utilizan ampliamente como datos de referencia para validar simulaciones CFD en ingeniería eólica. El flujo alrededor de un cilindro circular representa un problema aerodinámico clásico donde la separación del flujo, la formación de la estela y los efectos del número de Reynolds influyen fuertemente en las fuerzas aerodinámicas. Debido a estos fenómenos, las superficies curvas, como los cilindros, son particularmente desafiantes para las simulaciones numéricas.

Los estudios experimentales muestran que los coeficientes aerodinámicos de un cilindro varían significativamente con el número de Reynolds y la rugosidad de la superficie. A números de Reynolds elevados, típicos de los flujos de viento atmosférico, las mediciones a menudo muestran una dispersión considerable, lo que indica que los resultados dependen no solo del número de Reynolds, sino también de las características de la superficie y las condiciones de turbulencia. El ejemplo puede pertenecer al Grupo 1, según Figura 2.2 del WTG-Merkblatt-M3, basándose en la investigación del valor medio de la velocidad del viento:

• G1: Valores cualitativos con bajos requisitos de precisión para su uso en la investigación básica o el diseño preliminar. El esfuerzo y los requisitos para el nivel de detalle se reducen, ya que a menudo no todas las condiciones de contorno están completamente aclaradas.
• R1: Aislado (sin edificios circundantes), análisis de direcciones de viento individuales importantes.
• Z1: Valores medios estadísticos, siempre que estos se refieran a procesos de flujo estacionarios donde las fluctuaciones (p. ej., debido a la turbulencia del flujo de aproximación) puedan ser capturadas suficientemente por otras medidas.
• S1: Efectos estáticos. Es suficiente representar el modelo estructural con el detalle mecánico necesario, pero sin propiedades de masa y amortiguamiento.

Descripción

Este ejemplo de validación considera el flujo alrededor de un cilindro circular finito montado verticalmente en una placa plana bajo una velocidad de entrada uniforme, proporcionando un punto de referencia simplificado y bien controlado para simulaciones CFD. El cilindro tiene un diámetro de D = 30 mm y una altura de L = 180 mm, y está posicionado en un dominio similar a un túnel de viento donde el flujo entrante está alineado con la dirección del flujo (X), mientras que Y y Z denotan las direcciones lateral y vertical, respectivamente. A diferencia de las simulaciones de la capa límite atmosférica, la condición de contorno de entrada se define como un perfil de velocidad constante, U(z)=U_o, con una velocidad de flujo libre de 𝑈_o=10, lo que significa que no hay cizalladura vertical ni gradiente de velocidad presentes. Esta suposición elimina la complejidad asociada con el desarrollo de la capa límite y permite una investigación centrada en la física fundamental del flujo alrededor del cilindro.

En las condiciones de flujo dadas, el número de Reynolds basado en el diámetro del cilindro es aproximadamente 𝑅𝑒≈20,000, situando el flujo en un régimen subcrítico donde se esperan separación y desprendimiento de vórtices. La entrada uniforme conduce a una región de estancamiento simétrica en la parte delantera del cilindro, seguida de la separación del flujo a lo largo de los lados y la formación de una estela caracterizada por recirculación y desprendimiento periódico de vórtices (en simulaciones transitorias). La interacción entre el cilindro y la placa plana introduce una complejidad adicional a través de los efectos cercanos a la pared y el desarrollo de una capa límite en el suelo, dependiendo de la resolución numérica y el enfoque de tratamiento de pared.

1 Configuración Experimental y Sistema de Coordenadas (mm)

Tabla 1: Datos de entrada del cilindro circular

Estudio de Malla Computacional

La Figura 2 presenta un análisis de sensibilidad de malla de un modelo cilíndrico en RWIND. El coeficiente de fuerza calculado (C_f) disminuye ligeramente de 0.76 con una densidad de malla del 15% a 0.71 con el 25%, y más allá a 0.70 con el 35%. Esta reducción gradual indica que la solución se está estabilizando a medida que se refina la malla. La pequeña variación en C_f a densidades de malla más altas demuestra una convergencia general, sugiriendo que un refinamiento adicional tiene solo un impacto menor en los resultados.

2 Análisis de sensibilidad de la malla del modelo cilíndrico mostrando la convergencia del coeficiente de fuerza (Cf) con el aumento de la densidad de la malla

Además, el estudio de la malla computacional debe realizarse de acuerdo con el siguiente enlace:

• Estudio de malla computacional

Requisito de Precisión del 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 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.

• Validación de resultados de la simulación utilizando el método de índice de éxito definido en la WTG-Merkblatt M3

• Evaluación de la precisión de resultados utilizando el error de media cuadrática normalizado definido en la WTG-Merkblatt M3

Resultados y Discusión

La Figura 3 compara el coeficiente de presión medio (Cp) de RWIND y los datos experimentales en diferentes direcciones del viento. Ambos muestran una fuerte concordancia en las tendencias generales, incluyendo el estancamiento a 0°, la caída de presión debida a la separación del flujo y la recuperación en ángulos más altos. El Cp mínimo ocurre alrededor de 60°–70° y es bien predicho por RWIND. Sin embargo, RWIND subestima ligeramente la succión en la región de la estela para direcciones del viento más altas. En general, los resultados indican una buena precisión global con desviaciones menores.

3 Coeficiente de Presión Promedio (Cp) vs. Dirección del Viento

La comparación entre los coeficientes de presión de RWIND y los experimentales muestra una concordancia muy buena para direcciones del viento entre 0° y 100°, donde las desviaciones permanecen por debajo del 10% y todos los puntos de datos cumplen con los criterios de tasa de aciertos del 10% y del 20%. Las mayores discrepancias ocurren en la región de la estela (110°–180°), donde RWIND subestima sistemáticamente la succión, lo que lleva a desviaciones más altas de hasta aproximadamente el 43%.

En general, el 58% de los resultados se encuentran dentro de un rango de desviación del 10% (y del 20%). Las métricas de error global (e² = 0.05, MAE = 0.12, RMSE = 0.16) indican una precisión predictiva aceptable, con la desviación concentrada principalmente en la región de flujo separado.

Tabla 2: Comparación del Coeficiente de Presión (Cp) entre RWIND y Datos Experimentales

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Ejemplo 9.5 de WTG – Estructura cilíndrica