Coefficient de Force et de Moment

User Story

Dans cet exemple, nous allons calculer le coefficient de force et de moment moyen pour Université polytechnique de Tokyo (TPU) comme exemple expérimental (M0/S0), tel que ceux applicables au processus de conception structurale basé sur le WTG-Merkblatt-M3.

Cette partie des résultats appartient au Groupe 1 selon la Figure 2.2 du WTG-Merkblatt-M3 :

• G2 : Valeurs absolues avec des exigences de précision moyennes. Le domaine d'application peut inclure des paramètres ou des études préliminaires lorsque des investigations ultérieures avec une précision plus élevée sont planifiées (par exemple, examen en soufflerie de classe G3).
• R2 : Solitaire, toutes les directions de vent pertinentes avec une résolution directionnelle suffisamment fine.
• Z1 : Valeurs moyennes statistiques, à condition qu'elles concernent des processus d'écoulement stationnaires où les fluctuations (par exemple, dues à la turbulence de l'écoulement approchant) peuvent être capturées de manière suffisante par d'autres mesures.
• S1 : Effets statiques. Il est suffisant de représenter le modèle structural avec les détails mécaniques nécessaires, mais sans les propriétés de masse et d'amortissement.

Description

En étudiant le comportement aérodynamique à travers différents plans, cette comparaison vise à fournir une compréhension plus complète de la distribution des forces. De telles informations sont essentielles pour évaluer la stabilité globale, la performance aérodynamique et la réponse structurale du modèle dans des conditions d'écoulement. Les profils d'entrée de vitesse moyenne et d'intensité de turbulence reproduits dans la soufflerie correspondent à ceux de la Catégorie de Terrain IV selon la norme de l'Institut Architectural du Japon (AIJ). L'exposant de 0,25 cité dans certaines figures a été classé comme une erreur typographique après demande. Le modèle supposé est montré dans l'Image 1 :

1 Modèle de RWIND de l’exemple de WTG - Partie 9.2

Les hypothèses sous-jacentes à l'analyse et aux simulations sont résumées dans le Tableau 1, fournissant un aperçu clair des paramètres et conditions considérés tout au long de l'étude. :

Tableau 1 : Données d'entrée du modèle rectangulaire 3D

Étude de maillage computationnel

L'Image 2 résume une étude de sensibilité de maillage, montrant que lorsque la densité de maillage augmente de 20% à 55%, le coefficient de force (Cf) augmente de 0,95 à 1,05 puis se stabilise. Cela indique que la simulation atteint l'indépendance de maillage à 55%, ce qui signifie qu'un raffinement supplémentaire ne change plus les résultats de manière significative. L'image souligne l'importance de la qualité du maillage pour garantir des résultats de simulation de vent fiables.

2 Analyse de sensibilité du maillage

De plus, l'étude de maillage computationnel doit être effectuée conformément au lien suivant :

• Étude de maillage numérique

L'Image 3 présente un diagramme comparant les résultats de RWIND aux données expérimentales, concernant le tracé des profils de vitesse du vent normalisés en fonction de la hauteur. Les résultats montrent une très bonne concordance.

3 Comparaison des profils de vitesse u/uref en fonction de la hauteur

Exigence de précision du WTG-Merkblatt

Le WTG-Merkblatt M3 fournit deux méthodes clés pour valider les résultats de simulation. La méthode du Taux de réussite évalue combien des valeurs simulées P_i correspondent correctement aux valeurs de référence O_i dans une tolérance définie, en utilisant une approche de classification binaire (réussi ou échec). Cette approche évalue la fiabilité de la simulation en calculant un taux de réussite q, similaire aux fonctions de confiance utilisées en théorie de la fiabilité. En revanche, la méthode de l'Erreur quadratique moyenne normalisée (e²) offre une évaluation de précision plus détaillée en quantifiant l'écart quadratique moyen entre les valeurs simulées et de référence, normalisé pour tenir compte des différences d'échelle. Ensemble, ces méthodes fournissent des mesures à la fois qualitatives et quantitatives pour la validation de la simulation.

• Validation des résultats de simulation à l’aide de la méthode du taux de réussite définie dans la WTG-Merkblatt M3

• Évaluation de la précision des résultats à l'aide de l'erreur quadratique moyenne normalisée définie dans la WTG-Merkblatt M3

Résultats et discussion

Le Tableau 3 montre une très bonne concordance pour la métrique de validation entre les résultats de RWIND et les données de référence WTG pour les valeurs de vitesse normalisées. Tous les écarts se situent dans une plage acceptable (inférieure à 10%), donc le taux de réussite est obtenu q = 100%, et l'erreur quadratique moyenne normalisée e² = 0,00001 est extrêmement faible. Ces résultats confirment que RWIND reproduit avec précision le profil de vent de référence et répond à des critères de validation stricts.

Tableau 3 : Métrique de validation pour le profil de vitesse

L'Image 4 illustre comment les zones de surface sont définies dans RWIND pour calculer avec précision les coefficients de force sur chaque face d'un modèle de bâtiment exposé au vent. Le modèle 3D, de forme rectangulaire simple, a chaque face avant, arrière, gauche, droite et supérieure assignée à une zone distincte codée par couleur. Ces zones permettent à RWIND d'analyser et de calculer séparément les forces aérodynamiques et la distribution de pression indépendamment pour chaque surface. Au lieu de placer de nombreuses sondes ponctuelles, nous avons choisi de définir des zones de surface, car RWIND peut déterminer directement le coefficient de force pour chaque zone définie.

Au centre de l'Image 4, la fenêtre "Modifier la zone" est ouverte pour la Zone N° 2 – Avant à titre d'exemple. Cette sortie détaillée inclut les paramètres aérodynamiques clés. La surface projetée de cette zone dans la direction du vent est de 0,04 m². La force de traînée calculée sur cette surface est de 1,7 N, et le coefficient de force correspondant (C_x) est de 0,56. Dans la formule suivante, le coefficient de force du vent (coefficient de force aérodynamique) pour une zone de pression spécifique est calculé à titre d'exemple. Cette valeur peut ensuite être comparée à la valeur affichée sous l'onglet Info dans la boîte de dialogue Modifier les données du modèle.

4 Résultats pour différentes zones

L'Image 5 montre les résultats de post-traitement d'une simulation de vent réalisée pour un bâtiment de grande hauteur en utilisant le modèle de turbulence k-omega. Sur le côté droit de l'image, un tableau de comparaison affiche les coefficients de force obtenus à partir de la simulation CFD aux côtés des valeurs de référence de la directive WTG. La surface avant a un coefficient de force de 0,562, comparé à la référence WTG de 0,540, ce qui correspond à un écart de 4,07%. La surface arrière, qui est soumise à une pression négative en raison des effets de sillage, montre un écart légèrement plus grand de 6,09%. Les surfaces latérales présentent également des différences mineures, avec des écarts variant entre 3,68% et 5,38%. Notamment, le coefficient de force total dans la direction du vent représentant l'effet de traînée global ne montre qu'un écart de 1,95%, soulignant la précision et la fiabilité de la simulation CFD pour capturer le comportement aérodynamique global de la structure.

Les valeurs de force réelles en newtons pour chaque face du bâtiment sont affichées sous ce tableau. La surface avant est soumise à une force de traînée positive de 1,7 N, tandis que les surfaces arrière, droite et gauche subissent des forces négatives dues à la succion et à la traînée latérale. La force nette totale dans la direction du vent s'élève à 3,2 N, correspondant à la sortie de force globale indiquée dans le résumé du maillage. La simulation a utilisé une vitesse de vent de référence de 11 m/s et une surface de face de 0,04 m².

5 Comparaison des coefficients de force entre RWIND et WTG

Le Tableau 4 montre que RWIND reproduit avec précision les coefficients de force moyens de référence WTG sur toutes les surfaces, avec des écarts allant de 1,95% à 6,09% et q=100% comme taux de réussite. La faible erreur quadratique moyenne normalisée e2=0,0015 confirme une forte concordance entre la simulation et les mesures, répondant efficacement aux normes de validation.

Tableau 4 : Métrique de validation pour les coefficients de force moyens entre WTG et RWIND

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Exemple de centrale éolienne - Partie 9.2