Caso Utente
In questo esempio, calcoleremo il coefficiente medio di pressione del vento (Cp), che appartiene al Gruppo 2, secondo la Figura 2.2 del WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Valori assoluti con requisiti di accuratezza medi. L'area di applicazione può includere parametri o studi preliminari quando sono pianificate indagini successive con accuratezza maggiore (ad esempio, esame in galleria del vento di classe G3).
- R2: Isolato, tutte le direzioni del vento rilevanti con risoluzione direzionale sufficientemente fine.
- Z2: Valori medi statistici e deviazioni standard, purché coinvolgano processi di flusso stazionari, per i quali una verifica statistica delle fluttuazioni con un fattore di picco è sufficiente.
- S1: Effetti statici. Sono sufficienti a rappresentare il modello strutturale con il necessario dettaglio meccanico, ma senza proprietà di massa e smorzamento.
Descrizione
Questo caso di verifica, basato sul documento del WTG tedesco: Scheda informativa del Comitato 3 - Simulazione numerica dei flussi del vento, Capitolo 9.2 (vedi riferimenti), confronta i calcoli di fluidodinamica computazionale dei coefficienti di pressione del vento con i dati sperimentali del database aerodinamico della Tokyo Polytechnic University (TPU) (vedi riferimenti). L'analisi si concentra su un modello di edificio alto (rapporto 2:1:5). I dati della galleria del vento dello strato limite della TPU – rigorosamente validati attraverso studi sottoposti a revisione paritaria e accessibili pubblicamente tramite il loro portale di ingegneria del vento – forniscono metriche di riferimento per valutare l'accuratezza della modellazione della turbolenza e gli effetti di sensibilità della griglia. I parametri chiave di confronto includono i valori medi dei coefficienti di pressione nelle zone critiche dell'edificio (faccia sopravento, pareti laterali, regioni di separazione sottovento).
| Proprietà del fluido | Viscosità cinematica | ν | 1.500e-5 | m2/s |
| Densità | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Galleria del vento | Lunghezza | Dx | 2720.000 | m |
| Larghezza | Dy | 900.000 | m | |
| Altezza | Dz | 720.000 | m | |
| Edificio | Larghezza | B | 80.000 | m |
| Profondità | D | 40.000 | m | |
| Altezza | H | 200.000 | m | |
| Parametri di calcolo | Velocità di riferimento | uref | 22.000 | m/s |
| Altezza di riferimento | zref | 10.000 | m | |
| Costante di von Kármán | κ | 0.410 | ||
| Costante di viscosità turbolenta | Cμ | 0.090 | ||
| Lunghezza di rugosità superficiale aerodinamica | z0 | 1.000 | m |
Soluzione Analitica
Non è disponibile alcuna soluzione analitica. L'esempio fornisce un confronto tra i risultati della simulazione CFD di RWIND e i dati sperimentali (Database Aerodinamico TPU).
Il profilo della velocità del vento è calcolato dalla Legge di potenza secondo la seguente formula:
dove l'esponente del profilo α è definito come
L'intensità della turbolenza è presa dal Database Aerodinamico TPU secondo il seguente grafico per α=0.25.
Impostazioni della Simulazione RWIND
- Modellato in RWIND 3.04
- Tipo di simulazione di flusso transitorio
- Densità della mesh al 20% con raffinamenti: 5.698.702 celle
- Modello Spalart-Allmaras DDES
- Condizione al contorno in ingresso - profilo di velocità e profilo di intensità della turbolenza
- Fondo della galleria - condizione al contorno di non scorrimento (no-slip)
- Pareti e sommità della galleria - condizione al contorno di scorrimento (slip)
- Condizione al contorno in uscita - pressione nulla; gradiente di velocità nullo
Requisito di Accuratezza del WTG-Merkblatt M3
Il WTG-Merkblatt M3 fornisce due metodi chiave per la validazione dei risultati di simulazione. Il Metodo del Tasso di Successo (q) valuta quanti dei valori simulati Pi corrispondono correttamente ai valori di riferimento Oi entro una tolleranza definita, utilizzando un approccio di classificazione binaria (successo o insuccesso). Questo approccio valuta l'affidabilità della simulazione calcolando un tasso di successo q, simile alle funzioni di confidenza utilizzate nella teoria dell'affidabilità. Al contrario, il metodo dell'Errore Quadratico Medio Normalizzato (e2) offre una valutazione dell'accuratezza più dettagliata quantificando la deviazione quadratica media tra i valori simulati e quelli di riferimento, normalizzata per tenere conto delle differenze di scala. Insieme, questi metodi forniscono misure sia qualitative che quantitative per la validazione della simulazione.
Risultati
I valori desiderati del parametro del tasso di successo q sono superiori al 90% e l'errore quadratico medio relativo dovrebbe essere inferiore a 0,01. Dalla tabella seguente, è chiaro che il confronto dei dati sperimentali del TPU con i risultati della simulazione di flusso in RWIND non soddisfa i requisiti.
| Superficie | q [%] per Wrel = 10% | q [%] per Wrel = 20% | e2 [1] |
| Sopravento | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Lato destro | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lato sinistro | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Sottovento | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
Nei grafici seguenti, i coefficienti medi di pressione del vento ottenuti mediante la simulazione RWIND sono confrontati con i valori medi delle serie temporali nei punti di test misurati tramite il Database Aerodinamico TPU. I confronti sono effettuati sulle superfici sopravento, lato destro, lato sinistro e sottovento dell'edificio.
I grafici mostrano un ottimo accordo sulla superficie sopravento. I coefficienti di pressione del vento sono cruciali per i carichi dell'edificio, specialmente su questa superficie. Nel caso delle altre superfici, si osserva un buon accordo tra l'andamento dei risultati della simulazione e l'esperimento.
Nota: I dati sperimentali mostrati nei grafici sono tracciati sulla base dei file di dati ottenuti dal sito web TPU. Tuttavia, i grafici mostrati sul sito web TPU corrispondono ai file di dati solo nel caso della superficie sopravento.
