Dane pomiarowe dla obciążeń wiatrem na konstrukcje cylindryczne

Opis przypadku

W tym przykładzie przedstawiono eksperymentalne pomiary sił aerodynamicznych i rozkładu ciśnienia na walcu kołowym, które są szeroko stosowane jako dane referencyjne do walidacji symulacji CFD w inżynierii wiatrowej. Przepływ wokół walca kołowego stanowi klasyczne zagadnienie aerodynamiczne, w którym oderwanie przepływu, tworzenie się śladu aerodynamicznego (wake) oraz efekty związane z liczbą Reynoldsa silnie wpływają na siły aerodynamiczne. Ze względu na te zjawiska, powierzchnie zakrzywione, takie jak walce, są szczególnie trudne w symulacjach numerycznych.

Badania eksperymentalne pokazują, że współczynniki aerodynamiczne walca zmieniają się znacząco w zależności od liczby Reynoldsa i chropowatości powierzchni. Przy wysokich liczbach Reynoldsa, typowych dla przepływów wiatru atmosferycznego, pomiary często wykazują znaczny rozrzut, co wskazuje, że wyniki zależą nie tylko od liczby Reynoldsa, ale także od właściwości powierzchni i warunków turbulencji. Przykład może należeć do Grupy 1, zgodnie z Rysunek 2.2 w WTG-Merkblatt-M3, w oparciu o badanie średniej prędkości wiatru:

• G1: Wartości jakościowe z niskimi wymaganiami dotyczącymi dokładności do zastosowania w podstawowych badaniach lub wstępnym projektowaniu. Nakład pracy i wymagania dotyczące szczegółowości są zmniejszone, ponieważ często nie wszystkie warunki brzegowe są w pełni wyjaśnione.
• R1: Pojedynczy obiekt (bez otaczających budynków), analiza pojedynczych, ważnych kierunków wiatru.
• Z1: Statystyczne wartości średnie, pod warunkiem, że dotyczą one stacjonarnych procesów przepływowych, w których fluktuacje (np. spowodowane turbulencją napływającego strumienia) mogą być wystarczająco uchwycone za pomocą innych środków.
• S1: Efekty statyczne. Wystarczy przedstawić model konstrukcyjny z niezbędną szczegółowością mechaniczną, ale bez właściwości masowych i tłumiących.

Opis

Ten przykład walidacyjny rozważa przepływ wokół skończonego walca kołowego zamontowanego pionowo na płaskiej płycie przy równomiernej prędkości wlotowej, zapewniając uproszczone i dobrze kontrolowane warunki referencyjne dla symulacji CFD. Walec ma średnicę D = 30 mm i wysokość L = 180 mm i jest umieszczony w domenie przypominającej tunel aerodynamiczny, gdzie przepływ napływający jest wyrównany z kierunkiem wzdłużnym (X), podczas gdy Y i Z oznaczają odpowiednio kierunek poprzeczny i pionowy. W przeciwieństwie do symulacji atmosferycznej warstwy granicznej (ABL), warunek brzegowy na wlocie jest zdefiniowany jako stały profil prędkości, U(z)=U_o, z prędkością swobodnego przepływu 𝑈_o=10, co oznacza, że nie występuje pionowe ścinanie ani gradient prędkości. To założenie usuwa złożoność związaną z rozwojem warstwy granicznej i pozwala na skoncentrowane badanie podstawowej fizyki przepływu wokół walca.

W danych warunkach przepływu liczba Reynoldsa oparta na średnicy walca wynosi w przybliżeniu 𝑅𝑒≈20 000, co umieszcza przepływ w reżimie podkrytycznym, gdzie oczekuje się oderwania przepływu i odrywania wirów. Równomierny napływ prowadzi do symetrycznego obszaru stagnacji z przodu walca, po którym następuje oderwanie przepływu wzdłuż boków i utworzenie śladu aerodynamicznego (wake) charakteryzującego się recyrkulacją i okresowym odrywaniem wirów (w symulacjach niestacjonarnych). Interakcja między walcem a płaską płytą wprowadza dodatkową złożoność poprzez efekty przyścienne i rozwój przyziemnej warstwy granicznej, w zależności od rozdzielczości numerycznej i podejścia do modelowania ściany.

1 Układ doświadczalny i układ współrzędnych (mm)

Tabela 1: Dane wejściowe walca kołowego

Badanie siatki obliczeniowej

Rysunek 2 przedstawia analizę wrażliwości siatki dla modelu walcowego w RWIND. Obliczony współczynnik siły (C_f) spada nieznacznie z 0,76 przy gęstości siatki 15% do 0,71 przy 25% i dalej do 0,70 przy 35%. Ta stopniowa redukcja wskazuje, że rozwiązanie stabilizuje się w miarę zagęszczania siatki. Niewielka zmiana C_f przy wyższych gęstościach siatki pokazuje ogólną zbieżność, co sugeruje, że dalsze zagęszczanie ma tylko niewielki wpływ na wyniki.

2 Analiza wrażliwości siatki modelu cylindrycznego pokazująca zbieżność współczynnika siły (Cf) przy zwiększającej się gęstości siatki

Ponadto badanie siatki obliczeniowej należy przeprowadzić zgodnie z poniższym linkiem:

• Obliczeniowe badanie siatki

Wymagania dotyczące dokładności WTG-Merkblatt M3

WTG-Merkblatt M3 dostarcza dwie kluczowe metody walidacji wyników symulacji. Metoda Hit Rate (wskaźnika trafień) ocenia, ile symulowanych wartości Pi poprawnie pasuje do wartości referencyjnych Oi w zdefiniowanej tolerancji, stosując podejście klasyfikacji binarnej (trafienie lub chybienie). Metoda ta ocenia wiarygodność symulacji, obliczając wskaźnik trafień q, podobnie do funkcji ufności stosowanych w teorii niezawodności. W przeciwieństwie do tego, metoda znormalizowanego błędu średniokwadratowego (e²) oferuje bardziej szczegółową ocenę dokładności poprzez kwantyfikację średniego odchylenia kwadratowego między wartościami symulowanymi a referencyjnymi, znormalizowanego w celu uwzględnienia różnic skali. Razem metody te zapewniają zarówno jakościowe, jak i ilościowe miary do walidacji symulacji.

• Weryfikacja wyników symulacji przy zastosowaniu metody elementów skończonych zdefiniowanej w WTG-Merkblatt M3

• Ocena dokładności wyników przy użyciu znormalizowanego średniego błędu kwadratowego zdefiniowanego w WTG-Merkblatt M3

Wyniki i dyskusja

Rysunek 3 porównuje średni współczynnik ciśnienia (Cp) z RWIND i dane eksperymentalne dla różnych kierunków wiatru. Oba wykazują silną zgodność w zakresie ogólnych trendów, w tym stagnacji przy 0°, spadku ciśnienia z powodu oderwania przepływu i odzyskiwania ciśnienia przy wyższych kątach. Minimalne Cp występuje około 60°–70° i jest dobrze przewidywane przez RWIND. Jednak RWIND nieznacznie oszacowuje zbyt nisko podciśnienie w obszarze śladu aerodynamicznego dla wyższych kierunków wiatru. Ogólnie wyniki wskazują na dobrą dokładność globalną z niewielkimi odchyleniami.

3 Średni współczynnik ciśnienia (Cp) względem kierunku wiatru

Porównanie między współczynnikami ciśnienia z RWIND a eksperymentalnymi pokazuje bardzo dobrą zgodność dla kierunków wiatru między 0° a 100°, gdzie odchylenia pozostają poniżej 10%, a wszystkie punkty danych spełniają kryteria 10% i 20% wskaźnika trafień. Największe rozbieżności występują w obszarze śladu aerodynamicznego (110°–180°), gdzie RWIND systematycznie zaniża podciśnienie, prowadząc do wyższych odchyleń sięgających do około 43%.

Ogółem 58% wyników mieści się w zakresie odchylenia 10% (i 20%). Globalne metryki błędów (e² = 0.05, MAE = 0.12, RMSE = 0.16) wskazują na akceptowalną dokładność predykcyjną, przy czym odchylenia koncentrują się głównie w obszarze przepływu oderwanego.

Tabela 2: Porównanie współczynnika ciśnienia (Cp) między danymi RWIND a eksperymentalnymi

7x

0x

Przykład WTG 9.5 – Konstrukcja cylindryczna