Szélszimulációk előfeldolgozása a tartószerkezet tervezéshez

A szélszimulációs és tehergeneráló eszközünknek közzétételére készülve, fedezzük fel azokat az elméleti és technológiai háttéreket, amelyek egyedivé teszik. A fejlesztési folyamat során jelentős eltéréseket azonosítottunk a numerikus áramlástan és a szerkezeti mechanika világa között, emiatt jelentős szaktudásbeli felzárkózásra van szükség. Elkötelezettek vagyunk amellett, hogy felelősségteljes fejlesztői-felhasználói közösséget támogassunk, ezért úgy döntöttünk, hogy az elkövetkező hónapokban több tudásbázis anyagot publikálunk, amelyek elmagyarázzák azokat a kulcsfontosságú jellemzőket, amelyek elsősorban a Consteel tervezési munkafolyamat mögött működnek. Az első lépés az eszköz előfeltételeinek megértése és annak meghatározása, hogyan törekszünk a véges elemes, szabvány alapú tartószerkezet mérnöki megközelítés összehangolására a numerikus áramlástanban véges térfogatos módszerekkel. Röviden, ezt nevezzük előfeldolgozásnak. Nézzük meg, mit is jelent ez pontosan.

A tartószerkezeti mérnöki gyakorlatban a szél által okozott terhelések értékelése általában olyan szabványos eljárásokkal történik, amelyek különböző módokon egyszerűsítik a tényleges jelenséget. Azonban amikor fejlettebb módszereket, például numerikus áramlástant alkalmazunk, ezek a szabványok elkerülhetetlenül mérceként szolgálnak, alapot adva a szimuláció által generált nyomási eredmények összehasonlításához.

A teljes fejlesztési folyamat a szabványos eljárásokkal meghatározott szélprofilokra összpontosított . Az első megvalósítás az Eurocode 1-4 alapján készült, amely egy sor paraméterre épül, hasonlóan a Consteel-on belüli meteorológiai hatások meghatározásához.

A torlónyomási paraméterek magukban foglalják a szélsebességet alapértékét (v_b), amelyet a különböző országok földrajzi zónái alapján lehet kiválasztani, valamint a beépítettségi osztályt. A beépítettségi osztály, amelyet a kiválasztott nemzeti melléklet ad meg, különböző további értékeket határoz meg, mint az érdességi hossz (z₀), a legkisebb magasság (z_min) és a beépítettségi tényező (k_r). A beépítettségi tényező lehet rögzített érték, ahogy azt több nemzeti melléklet is meghatározza, vagy lehet kiszámítandó egy javasolt képlet alapján, amely az érdességi hosszt és a legkisebb magasságot veszi figyelembe. Ezenkívül a kiválasztott nemzeti melléklet alapvető értékeket biztosít a levegő sűrűségre (ρ), a domborzati tényezőre (co(z)) és az örvénylési (turbulencia) tényezőre (kI) is.

A belső nyomási paraméterek olyan együtthatókat tartalmaznak, amelyek módosítják a szélterheket egy adott szélirány esetén, így véve figyelmbe a a belső nyomások hatásait, az Eurocode alapján.

Megjegyzés: A fejlesztés jelenlegi szakaszában erősen ajánlott az eszközt kizárólag zárt, „légmentes” épületek külső nyomásának meghatározására használni.

A geometriai paraméterek közé tartozik az alap szélirány meghatározása a globális koordinátarendszer szerint (θ = 0°), a talajszint (Z), valamint egyéb méretparaméterek. Ezek a paraméterek felhasználhatók zónázott terhelések létrehozására, lehetővé téve olyan terhelési felületek kialakítását, mint amilyeneket az Eurocode meghatároz.

Végül a szél szimulációs felületek a vizsgált épületet körülvevő felületek, amelyek teher átadó felületként szolgálnak a későbbi statikai számításokhoz.

Megjegyzés: Jelenleg a szimulációk csak felületeken végezhetők el, és nem alkalmazhatók rúd elemekre.

Miután az összes szükséges, a szabványok alapvető logikájával összhangban lévő paraméter megadásra került, a tényleges előfeldolgozás egy külön dialógból indítható el. Ez a kezelőfelület további áramlástannal kapcsolatos bemeneteket igényel, amelyekről a következő tudásbázis anyagokban lesz szó.

Az előfeldolgozás egy fő fázisként is értelmezhető, két fő feladattal, amelyek a korábban összegyűjtött paraméterek alapján hajtódnak végre. Az első feladat az, hogy a bemeneti geometriát egy speciálisan kifejlesztett hálóformátumba (FoamMesh) alakítsa át. Ez a formátum egy hagyományos véges elemes hálóra hasonlít, háromszög vagy négyszögletű sík felületekkel és csúcsokkal rendelkezik, és képes a szimulációs eredmények tárolására. Ezenkívül a FoamMesh képes értelmezni az OPENFOAM® által generált, sokszögletű felületeket (’Ngon’), amelyek gyakran nem sík felületekből állnak. A felületek eredményeik alapján zónákat is alkothatnak.

Megjegyzés: A szimulációhoz használt véges elemes háló eltér attól a hálótól, amelyet a statikai számítások során a teherelosztásra szolgál. A szimuláció specifikus háló belső hálópontjait a felületi kontúr iteratív eltolásával kapjuk, és elsősorban négyszögletű felületek létrehozására törekedve. Ezek a négyszögletű felületek előnyösek a zónázott terhelések létrehozásához az utófeldolgozási fázisban.

A másik fő feladat egy virtuális szélcsatorna létrehozása, amely a paramétereknek megfelelő szélprofilból, valamint a szimuláció során használt, határokkal és belső cellákal (véges térfogatok) definiált zárt tartományból áll. Ez alapján lehetséges a szimulációs esetek tartalmának létrehozása az OPENFOAM® speciális hierarchiájának megfelelően. A széláramlási paraméterek a „zero” mappában tárolódnak, a háló generálása a „constant” és „system” mappákban, míg a megoldási és eredménylekérdezési paraméterek a „system” mappában kerülnek.

Megjegyzés: Minden szélirányhoz külön szimulációs eset tartozik, amely saját, független véges térfogat háló alapú szélcsatornával rendelkezik. Az épület véges elemes hálója azonban azonos marad, függetlenül az iránytól.

A szélprofil tekintetében az egyértelmű cél az, hogy olyan szélsebesség-profilt vezessünk be, amely a szabvány által meghatározott torlónyomás profilt képez. Azonban ennek a profilnak a definiálása nem egyértelmű feladat. Az alábbi ábrák különböző megközelítéseket szemléltetnek, a Q_pEC függvény pedig az Eurocode által meghatározott általános "cél" profilt mutatja.

Mivel az Eurocode általában elhanyagolja a turbulencia intenzitás másodrendű tagját (csak az 1 + 7Iv(z) tagot veszi figyelembe) a Q_pEC kiszámításánál, jelentős különbség adódik, ha a torló sebességprofilt használjuk a sebességnyomás (Q_pEC.V) kiszámításához (az 1 + 3.5Iv(z) tagokat alkalmazva a turbulencia intenzitásra). Ennek következtében a V_pEC közvetlen implementálása az OPENFOAM®-ban nem célszerű.

A szabványokon kívül az OPENFOAM® egy alapértelmezett megközelítést is kínál a logaritmikus atmoszférikus határrétegekhez (U_abl), amely a súrlódási sebességből (U^*) indul ki, ami egy referencia magasságon számolódik. Az így kapott Q_p.abl szintén jelentős eltérésekhez vezethet, mivel hiányzik a z_min alatti állandó szakasz. Ettől eltekintve egyébként ez a profil hasonló a szabványos V_p(z_Ref) profilhoz, amely a magasság mentén egyetlen konkrét turbulencia-intenzitás szerint értékelődik, ami a referencia magasságon (I_v(z_ref)) van számolva.

Az OPENFOAM® által alkalmazott logaritmikus profil az atmoszférikus határréteg megközelítéssel a következőképpen értékelhető:

Ezért szükséges volt egy egyedi megoldás kifejlesztése az OPENFOAM®-on belül az U_in bemeneti sebességprofil meghatározásához, amely az elvárt QpEC értéket produkálja. Ehhez a következő képlet van alkalmazva:

Egy bemeneti szélprofil esetén, amely a k-ε turbulencia modellt használja, a k (turbulens kinetikus energia) és ε (turbulencia disszipációs ráta) mezők kezdeti értékeinek beállítása is szükséges. Ehhez különböző megközelítések léteznek. Az OPENFOAM® alapértelmezett atmoszférikus határrétege automatikusan konstans értéket számít a magasság mentén, a következőképpen:

Azonban a bemeneti turbulens kinetikus energiát (k) általában a bemeneti referenciasebesség és a turbulenciaintenzitás alapján számítják, amelyet az Eurocode a terepparaméterek alapján határoz meg, ahogyan azt korábban bemutattuk. Ez alapján a turbulens kinetikus energia számítható:

Hasonlóképpen, a bemeneti ε (turbulencia disszipációs ráta) értékének meghatározására az OpenFOAM alapértelmezett automatikus módszert használ, amely a súrlódási sebességen alapul. Ez az alábbi képlettel számítható:

Ezen kívül van egy számítható megközelítés, amely az Eurocode-os eljárás szerint értékelhető örvénylési hossz alapján történik, a következőképpen:

Ezek a megközelítések összehasonlításra kerültek mind a középsebesség, mind a csúcssebesség profilok esetében, ahogyan az alábbi ábrán is látható. A torlónyomások egy egyszerű 8 m x 8 m x 8 m kocka széltámadta falán számított értékeknek felelnek meg. A profilok elnevezési konvenciói a következőképpen van: bemeneti sebesség profil (átlag - m vagy csúcs - p) – bemeneti turbulens kinetikus energia ( automatikus - a vagy számított - c) – bemeneti turbulencia disszipációs ráta (automatikus - a vagy számított - c).

Ezek alapján tehát a U.in sebességprofil került kiválasztásra, mind a bemeneti turbulens kinetikus energia (k), mind a bemeneti turbulencia disszipációs ráta (ε) pedig az automatikusan módszer szerint értékelődik. A különböző turbulenciamodellek hatásait, valamint a különböző paraméterezés szerint generált véges térfogat hálók befolyását, ami már az adatfeldolgozási fázishoz tartozik, a következő tudásbázis anyagokban fogjuk tárgyalni. Validációs példákon keresztül fogjuk felfedezni ennek az újonnan kifejlesztett eszköznek a használatát, érdemes velünk tartani.