Medição de Dados para Cargas de Vento em Estruturas Cilíndricas

Manual do Usuário

Este exemplo apresenta medições experimentais das forças aerodinâmicas e da distribuição de pressão num cilindro circular, amplamente utilizadas como dados de referência para validação de simulações CFD em engenharia do vento. O escoamento em torno de um cilindro circular representa um problema aerodinâmico clássico, onde a separação do escoamento, a formação da esteira e os efeitos do número de Reynolds influenciam fortemente as forças aerodinâmicas. Devido a estes fenómenos, superfícies curvas como as dos cilindros são particularmente desafiantes para simulações numéricas.

Estudos experimentais mostram que os coeficientes aerodinâmicos de um cilindro variam significativamente com o número de Reynolds e a rugosidade da superfície. Para números de Reynolds elevados, típicos dos escoamentos do vento atmosférico, as medições apresentam frequentemente uma dispersão considerável, indicando que os resultados dependem não apenas do número de Reynolds, mas também das características da superfície e das condições de turbulência. O exemplo pode pertencer ao Grupo 1, de acordo com Figura 2.2 no WTG-Merkblatt-M3, com base na investigação do valor da velocidade média do vento:

• G1: Valores qualitativos com baixos requisitos de precisão para uso em investigação básica ou projeto preliminar. O esforço e os requisitos para o nível de detalhe são reduzidos, uma vez que frequentemente nem todas as condições de fronteira estão totalmente esclarecidas.
• R1: Isolado (sem edifícios circundantes), análise de direções do vento individuais importantes.
• Z1: Valores médios estatísticos, desde que estes digam respeito a processos de escoamento estacionários onde as flutuações (por exemplo, devido à turbulência do escoamento de aproximação) possam ser suficientemente captadas por outras medidas.
• S1: Efeitos estáticos. É suficiente representar o modelo estrutural com o detalhe mecânico necessário, mas sem propriedades de massa e amortecimento.

Descrição

Este exemplo de validação considera o escoamento em torno de um cilindro circular finito montado verticalmente numa placa plana sob uma velocidade de entrada uniforme, fornecendo uma referência simplificada e bem controlada para simulações CFD. O cilindro tem um diâmetro de D = 30 mm e uma altura de L = 180 mm, e está posicionado num domínio do tipo túnel de vento onde o escoamento incidente está alinhado com a direção do escoamento (X), enquanto Y e Z denotam as direções lateral e vertical, respetivamente. Ao contrário das simulações da camada limite atmosférica (CLA), a condição de fronteira de entrada é definida como um perfil de velocidade constante, U(z)=U_o, com uma velocidade de corrente livre de 𝑈_o=10, o que significa que não existe cisalhamento vertical ou gradiente de velocidade. Esta suposição remove a complexidade associada ao desenvolvimento da camada limite e permite uma investigação focada na física fundamental do escoamento em torno do cilindro.

Nas condições de escoamento dadas, o número de Reynolds baseado no diâmetro do cilindro é aproximadamente 𝑅𝑒≈20.000, colocando o escoamento num regime subcrítico onde se espera separação e formação de vórtices. A entrada uniforme leva a uma região de estagnação simétrica na frente do cilindro, seguida pela separação do escoamento ao longo dos lados e pela formação de uma esteira caracterizada por recirculação e emissão periódica de vórtices (em simulações transitórias). A interação entre o cilindro e a placa plana introduz complexidade adicional através de efeitos de proximidade à parede e do desenvolvimento de uma camada limite no solo, dependendo da resolução numérica e da abordagem de tratamento de parede.

1 Configuração Experimental e Sistema de Coordenadas (mm)

Tabela 1: Dados de entrada do cilindro circular

Estudo da Malha Computacional

A Figura 2 apresenta uma análise de sensibilidade da malha de um modelo cilíndrico no RWIND. O coeficiente de força calculado (C_f) diminui ligeiramente de 0,76 para uma densidade de malha de 15% para 0,71 a 25%, e depois para 0,70 a 35%. Esta redução gradual indica que a solução está a estabilizar à medida que a malha é refinada. A pequena variação em C_f para densidades de malha mais elevadas demonstra convergência global, sugerindo que refinamentos adicionais têm apenas um impacto menor nos resultados.

2 Análise de Sensibilidade da Malha do Modelo Cilíndrico Mostrando a Convergência do Coeficiente de Força (Cf) com o Aumento da Densidade da Malha

Além disso, o estudo da malha computacional precisa de ser realizado de acordo com o seguinte link:

• estudo de malha computacional

Requisito de Precisão WTG-Merkblatt M3

O WTG-Merkblatt M3 fornece dois métodos principais para validar os resultados da simulação. O Método da Taxa de Acerto 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 as diferenças de escala. Em conjunto, estes métodos fornecem medidas qualitativas e quantitativas para a validação da simulação.

• Validação de resultados de simulações utilizando o método de taxa de acerto no WTG-Merkblatt M3

• Avaliação da precisão de resultados utilizando o erro quadrado médio normalizado definido no WTG-Merkblatt M3

Resultados e Discussão

A Figura 3 compara o coeficiente de pressão médio (Cp) do RWIND e os dados experimentais para diferentes direções do vento. Ambos mostram uma forte concordância nas tendências gerais, incluindo a estagnação a 0°, queda de pressão devido à separação do escoamento e recuperação em ângulos mais elevados. O Cp mínimo ocorre em torno de 60°–70° e é bem previsto pelo RWIND. No entanto, o RWIND subestima ligeiramente a sucção na região da esteira para direções do vento mais elevadas. Em geral, os resultados indicam boa precisão global com pequenos desvios.

3 Coeficiente Médio de Pressão (Cp) vs. Direção do Vento

A comparação entre os coeficientes de pressão do RWIND e experimentais mostra muito boa concordância para direções do vento entre 0° e 100°, onde os desvios permanecem abaixo de 10% e todos os pontos de dados cumprem os critérios de taxa de acerto de 10% e 20%. As maiores discrepâncias ocorrem na região da esteira (110°–180°), onde o RWIND subestima sistematicamente a sucção, levando a desvios mais elevados de até aproximadamente 43%.

No geral, 58% dos resultados situam-se dentro de um intervalo de desvio de 10% (e 20%). As métricas de erro global (e² = 0,05, MAE = 0,12, RMSE = 0,16) indicam uma precisão preditiva aceitável, com o desvio concentrado principalmente na região do escoamento separado.

Tabela 2: Comparação do Coeficiente de Pressão (Cp) entre o RWIND e os Dados Experimentais

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Exemplo 9.5 de WTG – Estrutura Cilíndrica