Adatfeldolgozás és sebességalapú ellenőrzés egy egyszerű négyzet alakú épületen

A szél-szimulációval foglalkozó sorozatunk második cikkében a szerkezeti mérnöki tervezéshez kapcsolódó szél-szimuláció két
kritikus témáját tárgyaljuk. Az első az adatfeldolgozás, amely a numerikus áramlástanon alapú szélterhelés-generálás legfontosabb lépéseit foglalja magában, mint például a háló létrehozása, a szimuláció végrehajtása és az elsődleges eredmények kinyerése. A második téma egy előzetes, sebességalapú ellenőrzési példa, amely szélesebb körű magyarázatot nyújt a szimulációs paraméterek hatásairól, hogy biztosítsuk az eredmények pontosságát és hasznosságát a gyakorlati tervezési alkalmazásokban.

Az előző cikkben [1] áttekintettük a szél-szimuláció előfeldolgozási lépéseit, beleértve a geometria beállítását szimulációs felületek és peremfeltételek (szélhatások és irányok) segítségével. Ezek a paraméterek nagyrészt összhangban voltak a szabványok alaplogikájával, így értelmezésük viszonylag egyszerű. Azonban a folytatás érdekében elengedhetetlen, hogy röviden bevezessük a szimulációhoz kapcsolódó paramétereket is, amelyek két kategóriára oszlanak.

Az alapbeállítások közé tartozik a „hálóméret a szerkezeten” és a „hálófinomítási tényező”. Az első a szerkezeten generált hálók, a mechanikai célú véges elem háló és a numerikus áramlástanból származó véges térfogat háló átlagos élhosszát jelenti, amelyeket az előző cikkben ismertettünk. A finomítási tényezőt pedig arra használják, hogy növeljék a véges térfogat cellák élhosszát a szimulációs tartomány határain, mivel ezeket elég távolinak tekintjük az épülettől. Ezért nem szükséges olyan sűrűn számítani a mezőértékeket, mint az épület körül, ahol a „hálóméret a szerkezeten” paraméter alapján történik a sűrűbb hálóképzés, ami gyorsabb szimulációkat eredményez.

Megjegyzés: A nagyobb hálóméret a szerkezeten és a magasabb finomítási tényező durvább hálót eredményez, ami gyorsabb szimulációt, de kevésbé pontos eredményeket ad!

A haladó beállítások egy sor olyan paramétert tartalmaznak, amelyek a szimuláció hátterét szabályozzák. Az alapértelmezett értékek általában megfelelő eredményekhez vezetnek, de ennek a cikknek a célja, hogy betekintést nyújtson ezen paraméterek hatásába.

A megbízható validáció érdekében egy szélcsatorna tesztet reprodukáltunk, az Architectural Institute of Japan (AIJ) Benchmarkjai [2] által biztosított kísérleti adatok és számítási paraméterek felhasználásával. A kísérletet a Shimizu Corporation Műszaki Kutatóintézetének kis keringtetésű szélcsatornájában hajtották végre. A tesztmodell egy akril téglatestből állt, amelynek magassága 160 mm, szélessége pedig 80 mm volt. A beáramló szél sebességét 6,75 m/s-ra állították be, a mért turbulencia-intenzitás pedig körülbelül 0,5% volt.

Megjegyzés: Ezeket a validációkat a Grasshopper környezetben a fejlesztési verziójában végeztük el az eszközünknek. A Consteel-ben az eszköz a szélterhelések generálására összpontosít, így a nyomásértékek kinyerésére is felhasználható.

A teljes elemzési folyamat során számos kulcsfontosságú szempontot figyelembe vettek az esettanulmány során. Mivel a modell a gyakorlatban előforduló egyik legegyszerűbb geometriát képviseli, és a szerkezeti viselkedése az irányelvek keretein belül könnyen értelmezhető, ez az eset több célra is szolgált. Elsősorban arra használták, hogy hangsúlyozza a hálófüggetlenségi tesztek elvégzésének fontosságát a tényleges szimuláció előtt. Az alábbi táblázatban látható, hogy még egy egyszerű geometria esetén is a hálósűrűség hatása jelentősnek bizonyult – nemcsak az eredmények pontossága, hanem a teljesítmény szempontjából is. A további vizsgálatokhoz a „2000-4” hálókonfigurációt választották, ahol az eredmények konvergenciája nyilvánvalóvá vált.

A következő szempont a hálófinomítás jelentőségének hangsúlyozása volt, különösen az élek mentén. Például a finomabb hálófelbontások nagyobb szívóértékeket rögzítenek az oldalfalakon, bár kisebb lokalizált területeken. Ennek következtében elengedhetetlen a globális reakciók figyelemmel kísérése az adott hálókonfiguráció által befolyásolt nyomások hatására, ahogy azt a fenti táblázat is bemutatja.

A kezdeti kalibrálási teszteket követően öt különböző turbulencia modellt (k - ε, k - ω, k - ω SST, RNG k - ε, Realizable k - ε) hasonlítottak össze a saját sebességi mezőik alapján.

Ezeket az eseteket egy időben hajtották végre, hogy felmérjék a teljes processzorhasználat hatását. A hálózási folyamat során majdnem minden esetben ugyanazt a hálót alkalmazták; azonban a futási idő körülbelül 250 másodpercre nőtt, ami négyszer hosszabb, mint amikor az eseteket külön futtatták. Ez világosan jelzi, hogy az előzőleg jelentett futási időket jelentősen befolyásolta a párhuzamos folyamatok egyidejű végrehajtása.

Megjegyzés: Lehetséges egyetlen szimulációs eset párhuzamos futtatása is, amely magában foglalja a számítási tartomány lebontását, majd annak újbóli rekonstrukcióját. Ez a lebontási folyamat azonban szintén számítási erőforrásokat igényel, ami azt jelenti, hogy a párhuzamos szimulációk futtatása nem mindig eredményez gyorsabb végrehajtási időket.

Az egyes esetekhez használt elsődleges metrikus az átlagos irányeltérés volt, amely a szimulációból származó sebességvektorok és a referencia kísérleti sebességvektorok közötti eltérést méri, ahol a 0 párhuzamos vektorokat, míg az 1 merőleges vektorokat jelöl. Az összes szcenárió során hasonló viselkedést figyeltek meg az épület mögötti áramlási területen, amely hangsúlyozza a RANS-típusú turbulenciamodellek egyik fő korlátját. Ezek a modellek jellemzően csak egyetlen domináns örvényt képesek rögzíteni az áramlás leválásakor, ami a legnagyobb eltérésekhez vezet az épület mögött, valamint a talaj közelében.

A releváns és átlátható validációk biztosítása érdekében az eredeti AIJ benchmark eredményeket összehasonlították a különböző turbulenciamodellek alkalmazásával nyert eredményekkel hasonló módon. A számítási tartományon belül az épülethez közeli pontok halmazát figyelték meg.

Összegzésül elmondható, hogy bár ezek a sebességi mezőkön alapuló validációk korlátozott közvetlen relevanciával bírnak a szerkezeti mérnöki szempontból, a széláramlás viselkedésének megértése az épületek körül és a szimulációk megfelelő kalibrálása továbbra is kulcsfontosságú. Nyilvánvaló, hogy még a legegyszerűbb geometriák esetén is a szimulációs eredmények rendkívül érzékenyek a paraméterváltozásokra, ami hangsúlyozza az iteratív megközelítés szükségességét a hálófüggetlenség és az eredmények konvergenciájának biztosítása érdekében.

A vizsgálat során a cél egy általános iránymutatás kidolgozása volt a jobb kezdőértékek érdekében. Ennek megfelelően a javasolt hálóméret a szerkezeten e/12 és e/20 között legyen, ahol „e” a szerkezet keresztirányú szélessége és kétszeres magassága közötti minimum értéket jelenti, ahogy azt az EC 1991-1-4 [3] definiálja. Ezt kiindulási pontként használva ajánlott egy iteratív szimulációs folyamatot alkalmazni, amelynek finomítási tényezője 5 és 0 között mozog, miközben folyamatosan figyelemmel kísérjük a nyomás eredmények konvergenciáját. Ez az iteratív módszer képezi az alapját a terhelésgenerálási eljárásnak a posztfeldolgozási fázis során, amelyről további részletek lesznek olvashatók a következő tudásbázis anyagokban.

Irodalomjegyzék:

[1] Szél-szimuláció előfeldolgozása szerkezeti mérnöki célokra 

[2] CFD előrejelzések útmutatója a városi szélkörnyezethez - Japán Építészeti Intézet 

[3] EN 1991-1-4: Eurocode 1: Terhelések szerkezetekre - 1-4. rész: Általános terhelések - Szélhatások