Пользовательская история
В этом примере мы рассчитаем средний коэффициент силы и момента для Токийский политехнический университет (TPU) в качестве экспериментального примера (M0/S0), применимого к процессу проектирования конструкций на основе WTG-Merkblatt-M3.
Эта часть результатов относится к Группе 1 согласно Рисунку 2.2 в WTG-Merkblatt-M3:
- G2: Абсолютные значения со средними требованиями к точности. Область применения может включать параметрические или предварительные исследования, когда позже планируются исследования с более высокой точностью (например, испытания в аэродинамической трубе класса G3).
- R2: Одиночное, все значимые направления ветра с достаточно хорошим угловым разрешением.
- Z1: Статистические средние значения, при условии, что они относятся к стационарным процессам течения, где флуктуации (например, из-за турбулентности набегающего потока) могут быть достаточно учтены другими мерами.
- S1: Статические воздействия. Достаточно представить расчетную модель с необходимой механической детализацией, но без учета свойств массы и демпфирования.
Описание
Путем исследования аэродинамического поведения в различных плоскостях, это сравнение призвано обеспечить более полное понимание распределения сил. Такие выводы крайне важны для оценки общей устойчивости модели, аэродинамических характеристик и реакции конструкции в условиях обтекания. Профили средней скорости и интенсивности турбулентности набегающего потока, воспроизведенные в аэродинамической трубе, соответствуют профилям для Категории местности IV согласно стандарту Архитектурного института Японии (AIJ). Показатель степени 0,25, цитируемый на некоторых рисунках, при проверке был классифицирован как опечатка. Рассматриваемая модель показана на Изображении 1:
Допущения, лежащие в основе анализа и моделирования, сведены в Таблице 1, обеспечивая четкий обзор параметров и условий, рассматриваемых в исследовании:
Таблица 1: Исходные данные для 3D прямоугольной модели
| Параметр | Обозначение | Значение | Единица измерения |
|---|---|---|---|
| Базовая скорость ветра | UH | 11 | м/с |
| Высота крыши | Href | 0,4 | м |
| Показатель профиля | α | 0,25 | - |
| Категория местности | - | IV | - |
| Плотность воздуха – RWIND | ρ | 1,25 | кг/м³ |
| Модель турбулентности – RWIND | RANS K-Omega | - | - |
| Кинематическая вязкость – RWIND | ν | 1,5×10⁻⁵ | м²/с |
| Порядок схемы – RWIND | Второй | - | - |
| Целевой уровень невязок – RWIND | 10⁻⁴ | - | - |
| Тип невязки – RWIND | Давление | - | - |
| Минимальное количество итераций – RWIND | 800 | - | - |
| Пограничный слой – RWIND | NL | 10 | - |
| Тип пристеночной функции – RWIND | Стандартная | - | - |
Исследование расчетной сетки
Изображение 2 обобщает исследование чувствительности к сетке, показывая, что по мере увеличения плотности сетки с 20% до 55% коэффициент силы (Cf) увеличивается с 0,95 до 1,05, а затем стабилизируется. Это указывает на то, что при 55% моделирование достигает независимости от сетки, а это означает, что дальнейшее измельчение больше не приводит к значительным изменениям результатов. Изображение подчеркивает важность качества сетки для обеспечения надежных результатов моделирования ветровых воздействий.
Кроме того, исследование расчетной сетки необходимо выполнять согласно следующей ссылке:
Изображение 3 представляет собой диаграмму, сравнивающую результаты RWIND с экспериментальными данными, в части построения нормированных профилей скорости ветра по высоте. Результаты показывают очень хорошее совпадение.
Требование по точности WTG-Merkblatt
WTG-Merkblatt M3 предлагает два основных метода проверки результатов моделирования. Метод Hit Rate (Коэффициент попадания) оценивает, сколько смоделированных значений Pi правильно совпадают с эталонными значениями Oi в пределах заданного допуска, используя подход бинарной классификации (попадание или промах). Этот подход оценивает надежность моделирования путем расчета коэффициента попадания q, подобно доверительным функциям, используемым в теории надежности. В отличие от этого, метод Нормированной среднеквадратичной ошибки (e2) предлагает более детальную оценку точности путем количественной оценки среднего квадрата отклонения между смоделированными и эталонными значениями, нормированного для учета разницы масштабов. Вместе эти методы обеспечивают как качественную, так и количественную меру для валидации моделирования.
Результаты и обсуждение
Таблица 3 показывает очень хорошее совпадение для метрики валидации между результатами RWIND и эталонными данными WTG для нормированных значений скорости. Все отклонения находятся в приемлемом диапазоне (ниже 10%), поэтому коэффициент попадания получен q = 100%, а нормированная среднеквадратичная ошибка e2 = 0,00001 чрезвычайно низка. Эти результаты подтверждают, что RWIND точно воспроизводит эталонный профиль ветра и соответствует строгим критериям валидации.
Таблица 3: Метрика валидации для профиля скорости
| WTG - u / uref | RWIND - u / uref | Отклонение (%) | n |
|---|---|---|---|
| 0,394 | 0,390 | 1,045 | 1,00 |
| 0,478 | 0,473 | 1,093 | 1,00 |
| 0,566 | 0,564 | 0,291 | 1,00 |
| 0,629 | 0,629 | 0,081 | 1,00 |
| 0,675 | 0,674 | 0,183 | 1,00 |
| 0,713 | 0,712 | 0,072 | 1,00 |
| 0,750 | 0,753 | 0,422 | 1,00 |
| 0,784 | 0,783 | 0,098 | 1,00 |
| 0,822 | 0,819 | 0,362 | 1,00 |
| 0,869 | 0,865 | 0,463 | 1,00 |
| 0,897 | 0,901 | 0,496 | 1,00 |
| 0,939 | 0,940 | 0,113 | 1,00 |
| 1,010 | 1,005 | 0,493 | 1,00 |
| 1,065 | 1,070 | 0,540 | 1,00 |
| 1,123 | 1,124 | 0,044 | 1,00 |
| 1,161 | 1,162 | 0,121 | 1,00 |
| 1,195 | 1,195 | 0,051 | 1,00 |
| 1,237 | 1,240 | 0,263 | 1,00 |
| 1,266 | 1,270 | 0,291 | 1,00 |
| 1,299 | 1,302 | 0,223 | 1,00 |
Изображение 4 показывает, как в RWIND определяются поверхностные зоны для точного расчета коэффициентов силы на каждой грани модели здания, подверженной воздействию ветра. У 3D-модели простой прямоугольной формы каждой грани — передней, задней, левой, правой и верхней — назначена отдельная цветовая зона. Эти зоны позволяют RWIND независимо анализировать и рассчитывать аэродинамические силы и распределение давления для каждой поверхности по отдельности. Вместо размещения многочисленных точечных пробников мы решили определить поверхностные зоны, так как RWIND может напрямую определять коэффициент силы для каждой заданной зоны.
В центре Изображения 4 в качестве примера открыто окно «Редактировать зону» для Зоны № 2 – Передняя. Этот подробный вывод включает ключевые аэродинамические параметры. Площадь проекции этой зоны в направлении ветра составляет 0,04 м². Рассчитанная сила лобового сопротивления на этой поверхности составляет 1,7 Н, а соответствующий коэффициент силы (Cx) равен 0,56. В следующей формуле коэффициент ветровой нагрузки (аэродинамический коэффициент силы) для конкретной зоны давления рассчитывается в качестве примера. Затем это значение можно сравнить со значением, отображаемым на вкладке «Информация» в диалоговом окне «Редактировать данные модели».
Изображение 5 показывает результаты постобработки моделирования воздействия ветра на высотное здание с использованием модели турбулентности k-omega. В правой части изображения сравнительная таблица отображает коэффициенты силы, полученные в результате CFD-моделирования, наряду с эталонными значениями из руководства WTG. Передняя поверхность имеет коэффициент силы 0,562 по сравнению с эталонным значением WTG 0,540, что соответствует отклонению 4,07%. Задняя поверхность, которая подвергается отрицательному давлению из-за эффектов в следе, показывает несколько большее отклонение 6,09%. Боковые поверхности также демонстрируют незначительные различия с отклонениями в диапазоне от 3,68% до 5,38%. Примечательно, что общий коэффициент силы в направлении ветра, представляющий общее лобовое сопротивление, показывает отклонение всего 1,95%, что подчеркивает точность и надежность CFD-моделирования при определении общего аэродинамического поведения конструкции.
Фактические значения силы в ньютонах для каждой грани здания отображаются под этой таблицей. Передняя поверхность подвергается положительной силе лобового сопротивления 1,7 Н, в то время как задняя, правая и левая поверхности испытывают отрицательные силы из-за отсоса и бокового сопротивления. Суммарная результирующая сила в направлении ветра составляет 3,2 Н, что совпадает с общим значением силы, указанным в сводке по сетке. В моделировании использовалась эталонная скорость ветра 11 м/с и площадь грани 0,04 м².
Таблица 4 показывает, что RWIND точно воспроизводит эталонные средние коэффициенты силы WTG на всех поверхностях, с отклонениями в диапазоне от 1,95% до 6,09% и q=100% в качестве коэффициента попадания. Низкая нормированная среднеквадратичная ошибка e2=0,0015 подтверждает высокую степень соответствия между моделированием и измерениями, эффективно удовлетворяя стандартам валидации.
Таблица 4: Метрика валидации для средних коэффициентов силы между WTG и RWIND
| Коэффициент силы | Cf,сред – WTG | Cf – RWIND – k-omega | Отклонение (%) | n |
|---|---|---|---|---|
| Передняя поверхность | 0,540 | 0,562 | 4,07 | 1,00 |
| Задняя поверхность | –0,528 | –0,496 | 6,09 | 1,00 |
| Правая боковая поверхность | –0,829 | –0,860 | 3,68 | 1,00 |
| Левая боковая поверхность | –0,847 | –0,893 | 5,38 | 1,00 |
| Суммарная сила по направлению ветра | 1,070 | 1,058 | 1,95 | 1,00 |
| Суммарная сила в поперечном направлении | 0,018 | 0,020 | 10,00 | 1,00 |
| Момент по направлению ветра | 0,582 | 0,520 | 10,65 | 1,00 |
| Момент в поперечном направлении | 0,010 | 0,0099 | 1,00 | 1,00 |
