Caso de Utilizador
Neste exemplo, vamos calcular o coeficiente de pressão do vento médio (Cp), pertencente ao Grupo 2, de acordo com a Figura 2.2 do WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Valores absolutos com requisitos de precisão média. A área de aplicação pode incluir parâmetros ou estudos preliminares quando investigações posteriores com maior precisão estão planeadas (por exemplo, ensaio em túnel de vento da classe G3).
- R2: Isolado, todas as direções do vento relevantes com resolução direcional suficientemente fina.
- Z2: Valores médios estatísticos e desvios padrão, desde que envolvam processos de escoamento estacionários, para os quais uma verificação estatística de flutuações com um fator de pico é suficiente.
- S1: Efeitos estáticos. São suficientes para representar o modelo estrutural com o detalhe mecânico necessário, mas sem propriedades de massa e amortecimento.
Descrição
Este caso de verificação, baseado no documento da WTG Alemã: Folha Informativa da Comissão 3 - Simulação Numérica de Escoamentos de Vento, Capítulo 9.2 (ver referências), compara cálculos de dinâmica de fluidos computacional de coeficientes de pressão do vento com dados experimentais da base de dados aerodinâmica da Universidade Politécnica de Tóquio (TPU) (ver referências). A análise foca-se num modelo de edifício alto (relação 2:1:5). Os dados do túnel de vento de camada limite da TPU – rigorosamente validados através de estudos revistos por pares e publicamente acessíveis através do seu portal de engenharia do vento – fornecem métricas de referência para avaliar a precisão da modelação de turbulência e os efeitos da sensibilidade da malha. Os parâmetros-chave de comparação incluem valores médios dos coeficientes de pressão em zonas críticas do edifício (face de barlavento, paredes laterais, regiões de separação a sotavento).
| Propriedades do Fluido | Viscosidade Cinemática | ν | 1.500e-5 | m2/s |
| Massa Específica | ρ | 1.250 | kg/m3 | |
| Túnel de Vento | Comprimento | Dx | 2720.000 | m |
| Largura | Dy | 900.000 | m | |
| Altura | Dz | 720.000 | m | |
| Edifício | Largura | B | 80.000 | m |
| Profundidade | D | 40.000 | m | |
| Altura | H | 200.000 | m | |
| Parâmetros de Cálculo | Velocidade de Referência | uref | 22.000 | m/s |
| Altura de Referência | zref | 10.000 | m | |
| Constante de von Kármán | κ | 0.410 | ||
| Constante de Viscosidade de Turbulência | Cμ | 0.090 | ||
| Comprimento de Rugosidade da Superfície Aerodinâmica | z0 | 1.000 | m |
Solução Analítica
Não está disponível uma solução analítica. O exemplo fornece uma comparação entre os resultados da simulação CFD do RWIND e dados experimentais (Base de Dados Aerodinâmica da TPU).
O perfil de velocidade do vento é calculado a partir da Lei Exponencial de acordo com a seguinte fórmula:
onde o expoente do perfil α é definido como
A intensidade de turbulência é obtida da Base de Dados Aerodinâmica da TPU de acordo com o seguinte gráfico para α=0.25.
Configurações da Simulação no RWIND
- Modelado no RWIND 3.04
- Tipo de simulação de escoamento transiente
- Densidade da malha de 20% com refinamentos: 5.698.702 células
- Modelo Spalart-Allmaras DDES
- Condição de fronteira de entrada - perfil de velocidade e perfil de intensidade de turbulência
- Base do túnel - condição de fronteira de não deslizamento
- Paredes e topo do túnel - condição de fronteira de deslizamento
- Condição de fronteira de saída - pressão zero; gradiente de velocidade zero
Requisito de Precisão do WTG-Merkblatt M3
O WTG-Merkblatt M3 fornece dois métodos principais para validar resultados de simulação. O método da Taxa de Acerto (q) avalia quantos dos valores simulados Pi correspondem corretamente aos valores de referência Oi dentro de uma tolerância definida, usando uma abordagem de classificação binária (acerto ou falha). Esta abordagem avalia a fiabilidade da simulação calculando uma taxa de acerto q, semelhante às funções de confiança usadas na teoria da fiabilidade. Em contraste, o método do Erro Quadrático Médio Normalizado (e2) oferece uma avaliação de precisão mais detalhada, quantificando o desvio quadrático médio entre os valores simulados e de referência, normalizado para ter em conta diferenças de escala. Em conjunto, estes métodos fornecem medidas qualitativas e quantitativas para a validação da simulação.
Resultados
Os valores desejados para o parâmetro de taxa de acerto q são superiores a 90% e o erro quadrático médio relativo deve ser inferior a 0,01. Pela tabela seguinte, é claro que a comparação dos dados experimentais da TPU com os resultados da simulação de escoamento no RWIND não cumpre os requisitos.
| Superfície | q [%] para Wrel = 10% | q [%] para Wrel = 20% | e2 [1] |
| Barlavento | 27.3 | 72.7 | 0.035 |
| Lateral Direita | 0.0 | 9.1 | 0.114 |
| Lateral Esquerda | 27.3 | 45.5 | 0.121 |
| Sotavento | 0.0 | 0.0 | 0.118 |
Nos gráficos seguintes, os coeficientes de pressão do vento médios obtidos por meio da simulação RWIND são comparados com os valores médios das séries temporais nos pontos de teste medidos através da Base de Dados Aerodinâmica da TPU. As comparações são realizadas nas superfícies de barlavento, lateral direita, lateral esquerda e sotavento do edifício.
Os gráficos mostram uma concordância muito boa na superfície de barlavento. Os coeficientes de pressão do vento são cruciais para as cargas no edifício, especialmente nesta superfície. No caso das outras superfícies, observa-se uma boa concordância entre a tendência dos resultados da simulação e a experiência.
Observação: Os dados experimentais mostrados nos gráficos são representados com base em ficheiros de dados obtidos do site da TPU. No entanto, os gráficos mostrados no site da TPU correspondem aos ficheiros de dados apenas no caso da superfície de barlavento.
