Table of Contents

השפעות עומס הרוח על מבנים מייצגים את אחד השיקולים הקריטיים ביותר בתכנון הנדסי מודרני והערכות בטיחות מבניות.כבניינים, גשרים, תשתיות אחרות ממשיכות לגדול בגובה ומורכבות, להבין כיצד כוחות הרוח אינטראקציה עם מבנים אלה הופכים חשובים יותר ויותר.OpenFOAM, דינמיקה של נוזל פתוח-מקור (CFD) כלי שימשה בהדרגה ברוח חישובית (CWE) מאז הקמתה בשנת 2004, מגוון מפורט של טכניקות רוח מקיפים כדי לבחון שיטות הנדסיות.

הבנה של הנדסה רוחית משותפת עם OpenFOAM

השימוש בדינמיקה נוזלית חישובית (CFD) בהנדסה רוח מוגדר בדרך כלל כהנדסת רוח חישובית (CWE), ומאז הקמתה בשנת 2004, השימוש ב OpenFOAM ב CWE גדל בהדרגה. OpenFOAM הוא כלי רב צדדי המשמש ליישומים הנדסיים רוח שניתן למזג בקלות עם מודלים חיזוי מזג אוויר מספרי עבור mesoscale-microscale-scale-scale-scale, עם מודלים של בנייה אנרגיה כדי לקבוע מודלים הנדסיים, מודלים מכניים, מודלים הנדסיים.

OpenFOAM היא התוכנה החופשית, קוד פתוח וניתן להשתמש בה לפופולריות לקביעת תופעות רוח על מבנים.הפלטפורמה מספקת מהנדסים עם יכולות עוצמתיות כדי לדמות תבניות מורכבות של זרימת רוח סביב מבנים, לחשב התפלגות לחץ, ובסופו של דבר לקבוע את הכוחות כי רוח מפעילה על מבנים ותשתיות אחרות.בניגוד לתוכנה קניינית CFD, קוד פתוח של OpenFOAM מאפשר הרחבה אישית, מה שהופך אותו יקר למחקר ויישומים הנדסיים מיוחדים.

עקרונות היסוד של Wind Load Analysis

הפיזיקה מאחורי הרוח

הרוח עומס על מבנים נובעת מהאינטראקציה בין רוח אטמוספרית לבין הגיאומטריה הפיזית של מבנים או תשתיות.כאשר הרוח נתקלה במבנה, היא יוצרת לחץ שונה על פני השטח השונים – לחץ חיובי על פני הרוח ולחץ שלילי (התחילה) על פני leeward ועמודי צד.

גודל וחלוקת עומסי הרוח תלויים בגורמים רבים, כולל מהירות רוח, אינטנסיביות סוערת, מאפייני שכבת גבול אטמוספרית, גסות שטח וגיאומטריה של המבנה.

המונחים: atmospheric Layer

מודל להפרעות מדויקות הוא חיוני למחקרי סימולציה של פיזיקה עירונית, ואת שכבת הגבול האטמוספרי המקיף (ABL) במודל של מודל משתנה coefficient ומונח נוסף של ניתוק קוד ניתן ליישם באמצעות OpenFOAM. שכבת הגבול האטמוספרית היא החלק הנמוך ביותר של האווירה שבה מאפיינים רוח מושפעים ישירות על פני כדור הארץ, עלייה ברוח זו, עם גובה גבוה לאחר אינטנסיביות על פני השטח.

תנאי הגבול AtmBoundaryLayer מספקים תנאים יבשתיים-טבעיים מסוג קרקעיים למהירויות רוח וכמויות סוערות עבור הומוגני, דו-ממדי, יבש, איזון ושכבת גבול אטמוספרי נייטרלית (ABL) מדגימה כראוי את ABL הוא חיוני להשגת תחזיות עומסי רוח ריאליים, כפי שהוא משפיע ישירות על המהירות והפרופיל תכונות כי המבנה.

בסביבה הקרובה של OpenFOAM Simulation Environment

ארגון ה-Case Structure and Case Organization

כדי להפעיל סימולציה CFD באמצעות OpenFOAM, שלוש מועצות בשם 0, קבוע ומערכת צריך להיות מוגדר מראש על ידי משתמשים, שבו הדירקטורי מכיל תנאים ראשוניים וגבול עבור סימולציות CFD, קבוע מכיל תכונות פיזיות ומטרידות מודלים, מערכת מכילה הגדרות שליטה ופתרון זמן ריצה. מבנה זה סטנדרטי ניהולי סטנדרטי מבטיח עקביות על פני מקרים שונים OpenFOAM ושיתופי פעולה בין משתמשים.

(ב) [ה]ה- [ה]]0 [ה] [ה]] [ה]]]] [ה]]], [ה]], [ה]]][ה]]]]], [ה]], [ה], [ה]], [ה]], [הההתיקים], ו[התערומים], כולל ניכויים, כולל ניכויים, כולל מנגנוני בקרה, כלומר, כלומר, כלומר, החולקים על פי החולקים על פי החולקים, החולקים על פי החולקים על פי החולקים על פי החולקים על פי החולקים, החולקים על פי החולקים על פי החולקים על פי החולקים על פי החולקים, ה[[ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה" (ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה"ה

יצירת גאומטריה ושילוב של CAD

יצירת ייצוג גיאומטרי מדויק של המבנה הוא הצעד הקריטי הראשון בהערכה של עומס הרוח.מסגרת לניתוח אפקטים רוח על גשרים ארוכי טווח באמצעות תוכנת קוד פתוח כוללת FreeCAD, OpenFOAM ו- ParaView. ניתן ליצור את הגיאומטריה באמצעות כלים שונים של CAD ולאחר מכן מיובא לתוך OpenFOAM באמצעות פורמטים סטנדרטיים כגון קבצי STL (stereolithography).

עבור מבנים מורכבים, חשוב ללכוד פרטים גאומטריים המשפיעים באופן משמעותי על דפוסי זרימת הרוח, כגון פינות, קצוות, מרפסות, תכונות אדריכליות. עם זאת, פרטים גיאומטריים מופרזים יכולים להוביל לאתגרים ועלויות חישוביות מוגברת. מהנדסים חייבים לאזן נאמנות גיאומטרית עם יעילות חישובית המבוססת על מטרות ספציפיות של הניתוח.

המונחים: domain

התחום החישובי מייצג את נפח האוויר סביב המבנה שבו משוואות זרימה ייפתר.התמונים הנכונים הוא חיוני להשגת תוצאות מדויקות באופן כללי, התחום צריך להרחיב מספיק במעלה הזרם, מטה הזרם, ולאחר מכן מהמבנה כדי למזער את השפעות הגבול על זרימת סביב מבנה העניין.

תרגול משותף מציע להרחיב את התחום לפחות 5 פעמים את גובה המבנה במעלה הזרם, 15 פעמים במורד הזרם, ו 5 פעמים מאוחר יותר על כל צד.הגבול העליון צריך להיות ממוקם לפחות 5-6 פעמים גובה המבנה מעל הקרקע כדי למנוע אפקטים חוסם מלאכותיים.

דור ה- Wind Engineering Applications

אסטרטגיות ופרקטיקה הטובה ביותר

איכות Mesh היא רבת ערך בסימולציות CFD, כפי שהיא משפיעה ישירות על הדיוק של פתרון, התנהגות התכנסות ויעילות חישובית. עבור יישומי הנדסה רוח ב OpenFOAM, כמה כלי שיט משונים זמינים, כולל חסימת עבור גיאומטריה פשוטה, phopyHexMesh עבור גיאמטריה מורכבת עם תאים hexahedral מורכבים, וכלים חיצוניים שיכולים לייצא פורמטים פתוחים.

התועלת ה-SpyHexMesh פופולרית במיוחד עבור יישומי הנדסה רוח כי היא מייצרת בעיקר hexahedral meshes עם יכולות הזיכוך המקומיות.כלי זה מתחיל עם מרש רקע שנוצר על ידי בלוקמי ולאחר מכן מחדד אזורים ליד פני השטח המבנה ובאזורים שבהם זרמי זרימה צפויים להיות גבוהים, כגון סביב פינות ו הקצוות.

אזורי סירוב

זיכוך מרש אסטרטגי חיוני ללכידת תכונות זרימה חשובות תוך שמירה על יעילות חישובית.אזורים מרכזיים הדורשים זיכוך כוללים:

  • אזורי קיר:0 (Near-קיר: FLT:103) רזולוציה של קרקעית ליד משטחים המבנה כדי ללכוד את התפתחות שכבת הגבולות והתפלגות הלחץ המדויקת
  • (ב) ,0) אזורים: [13] סירבו ליישב את המבנה כדי לפתור שופכים ולעורר את הזעזועים.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

הישבן צריך לעבור בצורה חלקה בין אזורים מעודן וקורקטה, עם יחסי הרחבה בדרך כלל לא מעל 1.2-1.3 כדי לשמור על דיוק פתרון ויציבות מספרית.

איכות Mesh

OpenFOAM מספק כלים להעריך איכות של השמדה, כולל CheckMesh, אשר מעריך מדדים איכותיים שונים.מדדים חשובים עבור סימולציות הנדסיות רוח כוללים אי-הוודאות (צריך בדרך כלל מתחת 70 מעלות), תמצית (עדיף מתחת ל 4), ואת יחס היבט (בדרך כלל מתחת 100 באזורים ביותר, אם כי ערכים גבוהים יותר עשויים להיות מקובלים באזורים של שכבת גבול).

איכות מרש ירודה יכולה להוביל לקשיים של התכנסות, אי-נוחות מספריות, ותוצאות לא מדויקות.זיכוך עצמי ושיפור איכות הם לעתים קרובות הכרחיים כדי להשיג מרש מתאים לסימולציות ייצור.

תנאי חירום ל- Wind Load Simulations

המונחים: inlet Boundary Conditions

מצב הגבול בlet מגדיר את המאפיינים הרוח המתקרבים והוא קריטי עבור תחזיות עומס רוח מציאותיות.היישום של תנאי AtmBoundaryLayer כלליזציה ביטויים כך שפרופילים של חללים מרחביים ניסיוניים או היסטריליים לכמויות סוערות יכולים להיות קלט בצורה עקבית מתמטית.עבור סימולציות גבול אטמוספריטי, החדירה בדרך כלל מדגימים פרופיל לוגיסטי, מטושטש, פרופיל אנרגטי וקצבי, מטושטש.

פרופיל המהירות הלוגרית מוגדר על ידי מהירות החיכוך, אורך העמידות פני השטח, ואת גובה ההתייחסות. פרמטרים אלה צריך להיות נבחר על בסיס קטגוריה הקרקע ותנאי הרוח הרלוונטיים למיקום של המבנה.קודים והנחיות, כגון ASCE 7 או יורוקוד 1, לספק קטגוריות קרקע אשר יכול להודיע אפשרויות פרמטרים אלה.

תנאי קיר

מגוון של מודלים של תפקוד קיר זמין ב OpenFOAM מוחלים כתנאי גבול על כתמים בודדים, המאפשר מודלים שונים של תפקוד הקיר להיות מיושם על אזורי קיר שונים.עבור משטחים המבנה, תנאי גבול ללא סליף משמשים בדרך כלל עבור מהירות, בעוד פונקציות הקיר משמשים לכמויות טורחות כדי לגשר על הפער בין האזור ליד הקיר, ואת זרימת הגבול הסוערת לחלוטין.

פני השטח הקרקע דורש טיפול מיוחד כדי לשמור על פרופיל שכבת הגבול האטמוספרי לאורך התחום.תפקודי קיר קשוח עם ערכי אורך מגומציות מתאימים יש ליישם כדי למנוע האצה לא פיזית או מחיקת זרימת לאורך פני השטח.

המונחים: side-boundary Conditions

הגבול החוצה בדרך כלל משתמש במצב אפס- ⁇ עבור מהירות וכמויות סוערות, ומאפשר מבני זרימה לצאת מהתחום ללא השתקפות מלאכותית.עבור לחץ, ערך קבוע (בדרך כלל לחץ אפס התייחסות) מוגדר ביציאה לספק הפניה לחץ עבור התחום כולו.

גבולות צד יכולים להיות מטופלים כמטוסים סימטריה אם התחום הוא רחב מספיק, או קירות חלקיקים אם אפקטים מגבילים מאוחר יותר הם רשלנות.הגבול העליון הוא בדרך כלל כקיר חלק או מטוס סימטריה, המייצג את הגבול העליון של שכבת הגבול האטמוספרי שבו מהירות אנכית ⁇ s מינימלית.

Turbulence Modeling for Wind Engineering

ריינולדס-ברד נווארה-Stokes (RANS) Models

מודלים של זעזועים RANS הם הגישה הנפוצה ביותר עבור יישומי הנדסה רוח בשל יעילות החישובית שלהם דיוק סביר עבור מקרים מעשיים רבים. עבור מחקרים הנדסיים רוח Computational Wind Engineering, הרינולדס-Averaged Navier-Stokes (RANS) נפתרים עם מודלים נרחבים בשימוש זעזועים כגון קידוד Realizable ו-S k ⁇ .

משפחת (FLT:0)-epsilon Model ModelsFLT:1, במיוחד את הגרסאות האמיתיות של k-epsilon, משמש נרחב עבור סימולציות שכבת גבול אטמוספרית.מודל ההפרעות של k-epsilon זמין עבור זרימה בלתי-ממדכאת ב OpenFOAM.מודלים אלה פותרים משוואות לאנרגיות קינטיות מטרידות (k) ושינויים בתחזיות לפירוק)

מודל ה-FLT:0 omega SST ModelFIRLT:1 משלב את היתרונות של מודלים k-omega ליד קירות עם התנהגות k-epsilon בזרם החופשי. יישום מודל ה- k-omega-SST זעזוע זמין עבור זרימה בלתי יעילה ב- OpenFOAM.מודל זה לעתים קרובות מספק תחזיות טובות יותר עבור קידודים שליליים והפרדה, מה שהופך אותו לתאים למבנה גיאוגרפי מורכב.

אדדי סימבול (Dedy Simulation)

אדדי סימלוציה גדולה מייצגת גישה אינטנסיבית יותר אך אולי מדויקת יותר עבור יישומי הנדסה רוח. סימולציות גדולות (שכבות) של מודל בקנה מידה נייטרלית של שכבת גבול אטמוספירית (ABL) זורם עבור יישומים הנדסיים מבניים להשתמש מודל חד-פעמי חד-פעמי עבור תת-ההיקף (SGS) תנועות, עם קיר שהיא מוחל על הקרקע.

les ישירות פותר מבנים סוערים בקנה מידה גדול תוך מודל רק המאזניים הקטנים ביותר באמצעות מודלים תת-ממדיים.גישה זו יכולה ללכוד תכונות זרימה לא יציבות כגון vortex לשפוך וזעזועים יותר מדויק מאשר דגמי RANS. עם זאת, les דורשות meshes קנס גדול יותר וזמני סימולציה ארוכים יותר, מה שהופך אותו מתאים יותר למחקרים מפורטים של מבנים ספציפיים או אימות של תוצאות RANS.

בחירת מודל ה- Appropriate Turbulence

הבחירה של מודל זעזוע תלויה במספר גורמים הכוללים את המורכבות של גאומטריה המבנה, החשיבות של השפעות לא יציבות, משאבים חישוביים זמינים, ואת רמת הדיוק הנדרשת. עבור מחקרים עיצוב ראשוניים חקירות parametric, מודלים RANS מציעים איזון טוב בין דיוק לבין עלות חישובית. עבור אימות תכנון סופי או מחקרים הדורשים פיזיקה זרימה מפורטת, ייתכן שיקבעו למרות דרישות חישוביות גבוהות יותר.

חשוב לציין כי אין מודל לתופעות לוואי אחד גבוה יותר עבור כל יישומי הנדסה רוח.מודל בחירת מודל צריך להיות הודיע על ידי מחקרים אימות, השוואה עם נתונים ניסיוניים כאשר זמין, ושיקול של פיזיקה זרימה ספציפית רלוונטי למבנה תחת חקירה.

הפעלת סימפוציות CFD ב OpenFOAM

פתרון בחירה

המפתורים הנפוצים ביותר עבור זרמים סוערים כוללים pisoFoam שהוא פתרון transient עבור זרימה בלתי-מוסכמת וזעזועים ו- פשוטFoam כמו פתרון מצב יציב. עבור יישומי הנדסה רוח, הבחירה בין מצב יציב ו פותרים טרנסיים תלויה במאפיינים של זרימה ומטרות ניתוח.

(FLT:0) אלגוריתם של Equations קשור לחץ: מתאים לזרמים שבהם כמויות זמן-ממוצע הן של חששות ראשוניים ואפקטים לא יציבים הם לא קריטיים.

(FLT:0) פלוטוממירל 1 הוא מתווך חולף המשלב אלגוריתמי PISO ו- SIMPLE, מתאים ללכידת תכונות זרימה תלויות זמן כגון vortex לשפוך, שטף לחץ, עומסי רוח דינמי.זה פתרון הכרחי כאשר העומסים, עייפות, או תכונות טורחות מפורטות הם חשובים עבור העיצוב.

המונחים: Numerical Schemes and Discretization

OpenFOAM מספק שליטה נרחבת על תוכניות מספריות המשמשות לפירוק המשוואות השולטות.מערכת / fvSchemes מילון מפרט תוכניות חישובים, הבדלים, המונחים Laplacian, ו נגזרות זמן. עבור סימולציות הנדסיות רוח, תוכניות מדויקות שני מומלץ בדרך כלל למזער יציבות מספרית תוך שמירה.

אפשרויות נפוצות כוללות תוכניות ליניאריות לחישובים ⁇ , ccupwind או תוכניות מוגבל של תנאי קידוד בסימולציות RANS, ותכנית ליניארית Gaussss עבור תנאים Laplacian. עבור les, תוכניות מתוחכמת יותר כגון לינארי מסנן או תוכניות מעוקבות עשוי להיות מועסקים כדי להפחית את הניתוק מספריים של מבנים מטושטשים פתורים.

בקרת פתרון ושקיפות

מערכת / FvSolution מילון בקרה על פתרון אלגוריתמים, גורמי הפחתה, וקריטריונים של התכנסות. עבור סימולציות קבועות של מדינה עם פשוטFoam, תחת הפחתה חיונית ליציבות, עם ערכים אופייניים של 0.3-0.7 ללחץ ו-0.5-0.8 עבור מהירות וכמויות סוערות.

יש לעקוב אחר קונורגיות של כל המשתנים הנפתים, כמו גם באמצעות ניטור של כמויות אינטגרליות כגון כוחות ורגעים על המבנה. ריבידיות צריך בדרך כלל להפחית לפחות 10-4 עבור לחץ ו 10-5 עבור מהירות וכמויות סוערות, אם כי קריטריונים מחמירים יותר עשויים להיות הכרחיים עבור יישומים בעלי דיוק גבוה.

עבור סימולציות טרנסיות, בחירת שלב הזמן היא קריטית.מספר Courant (Co = U*dt/dx) צריך בדרך כלל להיות נשמר מתחת 1 ליציבות, עם ערכים סביב 0.5-0.8 להיות נפוץ עבור הנדסת רוח.Sufficientסימולציה זמן חייב להיות מותר לפיתוח זרימה והתכנסות סטטיסטית של כמויות זמן-מצטברות.

המונחים: Parallel Computing

חישובים מקבילים ב OpenFOAM מאפשרים לסימולציה לרוץ במעבדים מבוזרים בו זמנית.עבור סימולציות הנדסיות רוח מציאותיות הכרוכות במישאות יפות וגיאומטריה מורכבת, מחשוב מקביל הוא לעתים קרובות חיוני כדי להשיג זמני מפנה סבירים. OpenFOAM תומך בקביעת דומיין, שבו mesh חישובי מחולק בין מעבדים מרובים.

השירות decomposePar מחלק את המקרה בהתבסס על מפרטים במערכת / קובץ DecomposeParDict. Common decomposition שיטות כוללות פשוט (מסופקים לאורך כיוונים לתאם), scotch (ההגדרה מבוססת חתימה עבור איזון עומס), ו Hierarchical (שילוב שיטות מרובות) לאחר השלמת סימולציה, שחזור של השירות להרכיב את decomposed שדות עבור עיבוד.

ניתוח נתונים ו-Data Analysis

הדמיה עם ParaView

הגישה המועדפת של ההתקנה היא לבצע חישובים CFD באמצעות OpenFOAM ולאחר מכן הדמיה באמצעות ParaView, שבו שחזור נתונים לאורך קו ניתן לעשות במהלך הדמיה. ParaView הוא כלי הדמיה סטנדרטי עבור תוצאות OpenFOAM, מתן יכולות חזקות לבדיקת שדות זרימה, הפצה לחץ, ומשתנים אחרים.

טכניקות הדמיה מפתח להנדסה רוח כוללות מזימות של יעילות לחץ על פני השטח של המבנה, שדות וקטור מהירות המציגים תבניות זרימה, קווי זרם הממחישים מסלולים זרימה, ואיזותים של גודל האולימפיות חושף מבנים סוערים. חזותיזציה אלה עוזר למהנדסים להבין את הפיזיקה הזרימה וזיהוי אזורים קריטיים לתכנון מבני.

מידע על לחץ

נתוני לחץ על משטחים במבנה הם הפלט העיקרי הדרוש לחישובי עומס רוח.OpenFOAM מספק אובייקטים פונקציונליים שניתן להגדיר בקובץ המערכת / שליטה כדי לחלץ באופן אוטומטי ולכתוב נתונים לחץ במהלך הסימולציה. הפונקציה פני השטח יכול לדגום לחץ על כתמים מוגדרים, בעוד שהכוחות פועלים ישירות חישוב כוחות ורגעים על פני השטח שנבחרו.

coefficients לחץ (Cp) מחושב בדרך כלל על ידי נרמל הלחץ יחסית ללחץ הדינמי של הרוח המתקרבת: Cp = (p - p ref) / (0.5 * U ref2), שבו p הוא הלחץ המקומי, p ref הוא לחץ ההתייחסות, ⁇ הוא צפיפות אוויר, ו U ref הוא ממד ההתייחסות.

ניתוח סטטיסטי לסימולציות Transient Simulations

עבור סימולציות transient, ניתוח סטטיסטי של נתונים של זמן מנוחה הוא חיוני.זמן-averated כמויות לספק עומסי רוח ממוצע, בעוד סטייה סטנדרטית וערכי שיא מודיעים עיצוב עבור עומסים החלולים. הפונקציה של OpenFOAM יכול למקם שדות זמן-averated במהלך הסימולציה, צמצום דרישות לאחר עיבוד.

ניתוח ספציפי של ההיסטוריה של זמן הלחץ יכול לחשוף תדרים דומיננטיים הקשורים vortex לשפוך או תופעות מחזוריות אחרות. מידע זה חיוני להערכת בעיות שחזור פוטנציאלי תגובה מבנית.

חישוב עומסי רוח מתוצאות CFD

שיטות אינטגרציה

עומסי הרוח נגזרים מהלחץ ומחלוקות הלחץ של החרפה המתקבלות מסימולציות CFD. הכוח הכולל על פני השטח מחושב על ידי שילוב הלחץ והלחץ מול השטח.תפקוד הכוחות של OpenFOAM מבצע את האינטגרציה הזו באופן אוטומטי, מתן כוחות ורגעים במערכות קואורדינטות מבוססות משתמשים.

ניתן לפסל את כוח הרוח הכולל לגרור (along-wind), להרים (cross-wind), ורכיבים מאוחרים יותר. עבור בניינים גבוהים, הרגע ההפוך על הבסיס הוא לעתים קרובות פרמטר העיצוב הקריטי.הכמויות המשולבות הללו צריכות להיות במעקב עבור התכנסות בסימולציות מצב יציבות וניתחו באופן סטטיסטי עבור סימולציות טרנספורמטיביות.

התפלגות לחץ

מעבר לכוחות הגלובליים, התפלגות יעילות לחץ מפורטת הן בעלות ערך לתכנון ולהשוואה עם הוראות קוד.אפשרות לחץ מופקות במקומות ספציפיים או ממוצעות על אזורים מוגדרים בהתאם לפרצופים מבניים שונים או לאזורים. פסגות לחץ, הן חיוביות ושליליות, הן חשובות במיוחד לתכנון המעטפות כדי לעמוד בפני לחץ רוח מקומי.

אזורי לחץ מרוכזים לעתים קרובות בשימוש עבור כוח רוח ראשי מתנגד מערכות, בעוד נקודה או קטן של משככי לחץ הם רלוונטיים רכיבים ועיצוב קלודה.אזור ההיברידי המתאים תלוי באזור הטריאבלרי של האלמנט המבני תוכנן.

דינאמי

עבור מבנים גמישים או אלה רגישים לרטטים המושרה רוח, תכונות עומס דינמיות יש לשקול.היסטוריית זמן של כוחות הרוח מסימולציות transient ניתן להשתמש כדי לחשב את נקודות הספקטרום של כוח, המתאר את התוכן התדירות של טעינת הרוח. מידע זה חיוני כדי להעריך מחדש של הדגימה ואפקטים עייפות.

הקורלציה של לחצים במקומות שונים במבנה משפיעה על התגובה הדינמית הכוללת. Coherence function ו- coefficients קורלציה קורטוב יכול להיות מלוכד תוצאות CFD כדי ליידע ניתוחים מבניים.מאפיינים מרחביים אלה חשובים במיוחד עבור מבנים גדולים שבהם עומסי רוח במקומות שונים עשויים לא להיות מתואמות לחלוטין.

אימות ואימות של תוצאות CFD

השוואה עם Wind Tunnel Data

אימות מודלים להנדסה רוח משלימה כולל השוואה של שדות חסכוניים בלחץ חד משמעיים עם תוצאות בדיקות מנהרה רוח קיימות.מבחן מנהרה רוח הוא השיטה המסורתית לקביעת עומסי רוח על מבנים, והשוואה עם נתוני מנהרה רוח מספק אימות יקר של תוצאות CFD.

כאשר השוואת תוצאות מנהרה של CFD ורוח, חשוב להבטיח תנאים עקביים כולל אפקטים מספר ריינולדס, מאפייני זעזוע, ונאמנות גיאומטרית.הבדלים בין תוצאות CFD ומנהרות רוח יש לנתח כדי להבין את המקורות שלהם, אשר עשויים לכלול הנחות דוגמנות, שגיאות מספריות, או אי-ודאות ניסיונית.

Benchmark Cases and Code אימות

מספר מקרים של קריטריונים זמינים בספרות ההנדסה הרוחית עבור אימות מתודולוגיות CFD. אלה כוללים זרימה סביב גיאוגרפיות פשוטות כגון קוביות וצילנדרים, כמו גם מקרים מורכבים יותר מעורבים תצורה של בנייה בפועל.שכפול תוצאות ממקרים אלה של מדד עוזר לבסס אמון בקביעת הסימולציה ומודל אפשרויות.

השוואה עם הוראות קוד בנייה, כגון ASCE 7 או יורוקוד 1, מספקת בדיקה אימות אחר. בעוד קודים מבוססים על הנחות פשוטות ולא יכולים ללכוד את כל ההשפעות הגיאומטריות, סטייה משמעותית מערכי הקוד צריך להיחקר ולהסביר על בסיס הפיזיקה הספציפית של המקרה.

לימודי עצמאות

מחקרים על עצמאות Mesh חיוניים כדי לאמת כי התוצאות אינן מושפעות באופן בלתי נמנע מרזולוציה של Mesh. זה כרוך סימולציות ריצה עם מברשות מעודן מתקדמות והשוואה של תוצאות מפתח כגון גרור אפקטיביות, חסכוני לחץ שיא, וחלוקות כוח. כאשר התוצאות משתנות על ידי פחות מאשר סובלנות מוגדרת (בדרך כלל 5% או פחות) עם זיכוך נוסף, עצמאות מרש נחשבת.

חשוב לחדד את המישים באופן אחיד או באזורים קריטיים ולא רק להגדיל את ספירת התא בכל מקום.זיכוך ממוקד באזורים של ⁇ גבוה או מורכבות זרימה יעילה יותר מאשר הזיכוך אחיד בכל רחבי התחום.

נושאים מתקדמים ב- Wind Load Analysis

אינטראקציה עם Fluid-Structure

עבור מבנים גמישים כגון בניינים גבוהים, גשרים ארוכים, או גגות קלים, אינטראקציה בין עומסי רוח ועיוות מבני יכול להיות משמעותי. OpenFOAM יכול להיות יחד עם שיטות סופיות עבור עיצוב הנדסי מבני.

ניתוח FSI חשוב במיוחד להערכת תופעות כגון תנודות מושרה מערבולת, גליגה, ופלוטר.הסתברויות האירולטסטיות הללו יכולות להוביל לתנודות הדגולים גדולים וכישלון מבני פוטנציאלי אם לא לטפל כראוי בעיצוב. OpenFOAM יכול להיות יחד עם קודים ניתוח מבני כדי לבצע סימולציות FSI, אם כי זה דורש מומחיות משמעותית ומשאבים חישוביים.

אפקטים מורכבים

מבנים הממוקמים בשטח מורכב חווים תנאי רוח מותנים עקב השפעות טופוגרפיים כגון מהירות על גבעות, המתפרסמים דרך עמקים, וזרימה הפרדה על מדרונות תלולים.סילוק השפעות אלה דורש להרחיב את התחום חישובי לכלול תכונות שטח רלוונטיות וליישם תנאים מתאימים כדי לייצג את הרוח המתקרבת משתנה על ידי שטח זרם.

ניתן להשיג מודלים של Terrain על ידי שילוב נתונים על גובה דיגיטלי לתוך תהליך הדור של mesh. תנאי גבול פני הקרקע חייב לקחת בחשבון עבור מאפיינים שונים של סוגים שונים של שטח. סימולציות אלה דורשים חישובי בשל גודל התחום הגדול הנדרש אך לספק תובנות חשובות עבור מבנים במקומות מורכבים טופוגרפיים.

סביבה עירונית ובניית אינטראקציות

בסביבות עירוניות, רוח זורם סביב מבנה מושפע באופן משמעותי על ידי מבנים הסובבים.אפקטים של Wake, ערוץ בין בניינים, ומגן יכול לשנות באופן משמעותי עומסי רוח בהשוואה לתנאי מבנה מבודדים.הערכת עומס רוח במסגרות עירוניות דורשות כולל מבנים שכנים בתחום החישובי.

היקף הסביבה העירונית שיש לדגום תלוי בצפיפות ובגובה של מבנים מסביב.בדרך כלל, מבנים בתוך רדיוס של 5-10 פעמים גובה מבנה העניין צריך לכלול. ייצוגים מלוטשים של מבנים מרוחקים יותר עשויים לשמש כדי להפחית עלויות חישוביות תוך לכידת תכונות זרימה חיוניות.

כיוונים רוח מרובים

הרוח יכולה לגשת למבנה מכל כיוון, וכיוון הרוח הקריטי לעומסים מקסימליים לא יכול להיות ברור, במיוחד עבור גיאוגרפיות מורכבות או הגדרות עירוניות. הערכת עומס רוח מקיפה דורשת סימולציה של מספר כיוונים רוח, בדרך כלל ב-15-30 מרווחי תואר סביב טווח מלא 360 מעלות.

לכל כיוון רוח, תנאי ה- Mesh והגבול חייבים להיות מסובבים כראוי או לשנות אותם.ניתוח רב-כיווני זה אינטנסיבי מבחינה חישובית אך הכרחי לקביעת עומסי רוח עיצוב.התוצאות יכולות להיות משולבות עם נתוני אקלים כיוון כדי להעריך את ההסתברות של תרחישי עומס שונים.

שיקולים מעשיים ועיסוקים טובים

דרישות משאבים

סימולציות הנדסיות של Wind Engineering CFD יכולות להיות תובעניות מבחינה חישובית, במיוחד עבור ג'ממות מורכבות, מלות דקות, או סימולציות טרנספורמטיביות.דמיית RANS טיפוסית של בניין עשויה לדרוש מספר שעות עד ימים על ריבוי של עבודות, בעוד סימולציות ירכיים יכולות לדרוש שבועות על גבי מקבץ מחשוב ביצועים גבוהים.

דרישות משאבים בקנה מידה עם גודל מרש, שלב זמן (עבור סימולציות טרנסיות), ומשך סימולציה.מהנדסים צריכים לתכנן משאבים חישוביים בהתאם ולשקול באמצעות סימולציות ראשוניות של coarse-msh כדי להתאים את ההתקנה לפני הפעלת מקרים של ייצור.

איכות מובטחת ותיעוד

אבטחת איכות ריגורית חיונית להערכת עומסי רוח מבוססי CFD המשמשים בתכנון מבני.זה כולל תיעוד כל הנחות דוגמנות, תנאי גבול, מאפיינים מרשים, והגדרות פתרון.מחקרים רגישות יש לבצע כדי להעריך את ההשפעה של אפשרויות דוגמנות מפתח על תוצאות.

יש לבחון את התוצאות באופן ביקורתי עבור הסתברות פיזית.תבניות זרימה לא מציאותיות, הפצת לחץ, או משככי כוח יכול להצביע על מודלים שגיאות או בעיות מספריות.השוואה עם התנהגות צפויה המבוססת על שיפוט הנדסי ומודלים אנליטיים פשוטים מספק בדיקת סניפיות חשובה.

שילוב עם עיצוב עיצוב עיצובי עיצוב עיצובי

תוצאות CFD חייבות להיות משולבות כראוי לתוך זרימת העבודה עיצוב מבני.זה כולל תרגומים של התפלגות לחץ לתוך עומס סטטי שווה לניתוח מבני, קביעת שילובי עומס מתאימים, וליישם גורמי בטיחות מתאימים.רמת הפרטים בתוצאות CFD לעתים קרובות עולה על מה שנדרש לניתוח מבני, הדורש התאמה או פשטות מתאימה.

תקשורת בין אנליסטים של CFD ומהנדסים מבניים היא חיונית כדי להבטיח כי ניתוח CFD מתייחס לצרכים הספציפיים של העיצוב המבני.זה כולל זיהוי מקרים קריטיים עומס, קביעת כמויות פלט הדרושות, והקמת רמות מתאימות של שימורים בניתוח.

הגבלות וודאות

בעוד CFD מספק יכולות עוצמתיות לניתוח עומס רוח, חשוב להכיר במגבלות ובחוסר ודאות שלו. Turbulence Modeling מציג תחזיות המשפיעות על דיוק, במיוחד עבור זרימה מורכבת של תנאים קשים. Boundary מצב ספציפי כרוך אי-ודאות בתנאים אטמוספריים ומאפיינים קרקעיים. שגיאות נומריות עולות מדיסקרטיזציה ותהליכי פתרון היררטיביים.

אי ודאויות אלה צריכות להיות מוכרות, וכאשר ניתן, כפי שניתן, כפי שניתן, באמצעות מחקרים רגישים ותרגול אימות. הנחות קונסרבטיביות עשויות להיות מתאימות כאשר אי-וודאויות הן נתונים גדולים או אימות מוגבלים. CFD צריך להיחשב כמשלים, ולא תחליף לשיטות מסורתיות כגון בדיקת מנהרות רוח וגישות מבוססות קוד.

מחקרים ויישומים

בניינים גבוהים

בניינים גבוהים רגישים במיוחד לעומסי רוח בשל גובהם ודמיון הניתוח CFD יכול לספק מידע מפורט על חלוקת לחץ, כוחות ורגעים, ולחצים גבוהים מקומיים לתכנון קלדינג.ניתוח יכול גם לזהות בעיות פוטנציאליות כגון vortex לשפוך במהירויות רוח קריטיות שעלולות להוביל לאי נוחות או עייפות מבנית.

עבור בניינים סופר-טאל, שינויים אווירודינמיים כגון שינויים פינה, עיכובים או פתחים יכולים להפחית באופן משמעותי עומסי רוח. CFD מספק כלי יעיל להערכת וקידוד שינויים אלה במהלך תהליך העיצוב.היכולת לדמיין תבניות זרימה מסייע להבין את המנגנונים שבאמצעותם שינויים אלה משפיעים על עומסי הרוח.

גשר ארוך

דינמיקת נוזל Computational (CFD) מציעה מעצבי גשר הזדמנות לחקור ביצועים אווירודינמיקה עבור גשרים לטווח ארוך במהלך שלב העיצוב, כמו גם במהלך המבצע של הגשר.גשר האירודינמיקה כרוך בתופעות מורכבות כולל רטטים מושרה מערבולת, פלוטר, ומזנון. ניתוח CFD יכול להעריך תופעות אלה ולעדכן החלטות עיצוב לגבי חתך, סידורי כבל, ואוויר דינמיות.

מודל תלת-ממדי של גשר שנוצר ב- OpenFOAM עם מודל ה- k- ⁇ SST זעזועים הראה כי הגישה הדוגמת יש פוטנציאל טוב לשימוש במחקרים אווירודינמיים של הגשר המעשי.האימות של תוצאות CFD עם נתוני ניטור שדה מגשרים קיימים מספק אמון במתודולוגיה לעיצובי גשר חדשים.

מבנה משקל ו Light Weight Structures

מבנים Membrane, גגות Tenile, ומבנים קלים אחרים מציגים אתגרים ייחודיים לניתוח עומס הרוח בשל הגמישות והגאומטריה המורכבת שלהם.הפתר המספרי הוא מצב יציב עבור זרימה בלתי-מוסכמת, מנצל את האלגוריתם SIMPLE לניתוח עומס רוח על מבנים. CFD יכול ללכוד את ההתפלגות הלחץ המורכבות על משטחים מעוקלים ואפקטים של פורוזות או יכולת במבנים.

עבור מבנים אלה, השפעות אינטראקציה נוזלית-מבנה הם לעתים קרובות משמעותי, כמו הצורה המבנית משתנה תחת עומס רוח, אשר בתורו משפיע על הכוחות האירודינמיקה.ניתוח FSI משותף עשוי להיות הכרחי עבור חיזוי עומס מדויק, במיוחד עבור רחב טווח גדול או מבנים גמישים מאוד.

מבנים תעשייתיים וציוד

מתקנים תעשייתיים כוללים לעתים קרובות מבנים עם ג'ממות מורכבות כגון צ'יפים צינור, פלטפורמות ציוד וטנקים אחסון. Wind לטעון על מבנים אלה יכול להיות קשה להעריך באמצעות הוראות קוד בשל המורכבות הגיאומטרית שלהם ואת ההשפעות המגנים של ציוד סמוך. CFD מספק גישה מעשית לקביעת עומסי רוח על מבנים אלה, חשבונאות עבור התצורה בפועל ואפקטים.

הניתוח יכול לזהות רכיבים קריטיים שחוו עומסי רוח גבוהים ולעדכן החלטות לגבי חיזוק מבני או שינויים אווירודינמיקה.עבור מתקנים בסביבות רוח קשות, כגון פלטפורמות offshore, הערכה מדויקת של עומס רוח היא חיונית לבטיחות ולאמינות תפעולית.

פיתוח עתידי ומגמות מתפתחות

Machine Learning ו-AIאינטגרציה

פיתוח יישומים של למידת מכונה ואינטליגנציה מלאכותית ב-CFD מבטיח לשפר את יכולות ניתוח עומס הרוח.מודלים של למידת מכונות יכולים להיות מאומן על תוצאות CFD כדי לספק תחזיות מהירות עבור תצורה חדשה, המאפשרים מחקרים parametric יעילים אופטימיזציה.

מודלים של הפרעות המונעות על ידי נתונים אשר לומדים מהנתונים סימולציה גבוהה עשוי לשפר את דיוק החיזוי עבור זרימה מורכבת.התפתחויות אלה עדיין בשלבים מחקריים, אך יש להבטיח כי ביצוע ניתוח עומס רוח מבוסס CFD נגיש ויעיל יותר עבור יישומים הנדסיים מעשיים.

מודל ל-Tronbulence Modeling

מחקר מתמשך ממשיך לשפר את מודל ההפרעות עבור שכבת גבול אטמוספרית זורם ובניית אווירודינמיקה. בשילוב עם פרופילי רוח עקביים ותפקודי קיר גסים המבוססים על גסות אווירודינמיקה, מודלים יכולים לשמור על הומוגניות אופקית היטב, עם גישות היברידיות המאפשרות טרנספורמציה אוטומטית של מודל הזעזוע בין אזורים סביב מבנים ואזורי זרימה חופשית.

סימולציה של Scale-reshoot מתקרבת כי לגשר על הפער בין RANS ו- les, כגון Detached Eddy Simulation (DES) ו- Scale-Adaptive Simulation (SAS), הופכים להיות מעשיים יותר עבור יישומי הנדסה רוח.שיטות אלה מספקות דיוק משופר בהשוואה ל- RANS בשבריר של העלות החישובית של les מלאים.

פלטפורמות מבוססות ענן

מחשוב ענן הופך את הביצועים גבוהים יותר של חברות הנדסה ללא תשתית מחשוב רבת ביתית. פלטפורמות מבוססות ענן יכול לספק גישה על פי דרישה למשאבים חישוביים, המאפשרת למהנדסים לנהל סימולציות בקנה מידה גדול ללא השקעה הון בחומרה.אינטגרציה של OpenFOAM עם פלטפורמות ענן וממשקים ידידותיים למשתמש הוא צמצום החסמים לאימוץ של CFD עבור הנדסה רוח.

פלטפורמות אלה כוללות לעתים קרובות זרימות עבודה טרום-הגדרה, דור מרש אוטומטיים, וכלים שלאחר עיבוד כי לייעל את תהליך הניתוח. כמו טכנולוגיות אלה בוגר, ניתוח עומס רוח מבוסס CFD צפוי להיות יותר שגרתית בפרקטיקה הנדסית מבנית.

שילוב עם בניית מודל מידע (BIM)

שילוב של כלים CFD עם בניית מודלים של מידע (BIM) פלטפורמות מבטיח לייעל את זרימת העבודה מעיצוב אדריכלי לניתוח עומס רוח.מיצוי אוטומטי של בניית גאומטריה ממודלים BIM, בשילוב עם הדור הסימולציות האוטומטיות, יכול להפחית משמעותית את הזמן והמומחיות הנדרשת לניתוח CFD.

שילוב זה מאפשר לעומס רוח לשלב מוקדם יותר בתהליך העיצוב, ומאפשר אופטימיזציה של צורת בנייה וכיוון למזער עומסי רוח.הלאה משוב בין תכנון אדריכלי והנדסת רוח יכול להוביל מבנים יעילים יותר ומשתנים יותר.

מסקנה

OpenFOAM מספק פלטפורמה עוצמתית, גמישה ויעילה להערכת השפעות עומס הרוח על מבנים. OpenFOAM הוא כלי רב צדדי המשמש נרחב עבור יישומי הנדסה רוח המייצג הזדמנות יוצאת דופן עבור כל משתמשי CFD ברחבי העולם לשתף קודים ומחקרי מקרה, לחקור את הפוטנציאל של פונקציונליות חדשה לחזק את הרשת בתוך הקהילה CFD. באמצעות תשומת לב זהירה למודל, דור, תנאי ספציפי, חיזוי רוח, מודלים מדויקים, ופתרונות מדויקים, עיצוב מדויק יכול להשיג פתרונות מדויקים.

הגישות המעשיות המתוארות במאמר זה מספקות מסגרת מקיפה לביצוע ניתוחים של עומסי רוח באמצעות OpenFOAM. מההגדרה הראשונית באמצעות עיבוד ואימות, כל צעד דורש שיקול דעת זהיר ושיפוט הנדסי. בעוד ניתוח CFD כרוך במורכבות וחוסר ודאות, הוא מציע יכולות שמשלים שיטות מסורתיות ולספק תובנות לתוך פיזיקה זרימה המודיעה עיצובים מבניים טובים יותר.

בעוד המשאבים החישוביים ממשיכים להתקדם ומתודולוגיות בוגר, ניתוח עומס הרוח מבוסס CFD באמצעות OpenFOAM ישחק תפקיד חשוב יותר ויותר בפרקטיקה הנדסית מבנית.הטבע הקוד הפתוח של OpenFOAMs שיתוף פעולה, חדשנות ושיפור מתמשך של שיטות ושיטות הטובות ביותר בקהילה להנדסה הרוח.מהנדסים אשר מפתחים מומחיות בכלים אלה יהיו מחויבים היטב לטפל באתגרים הנדסיים של מבנים מורכבים ושאפתניים יותר ויותר.

עבור אלה המתחילים את המסע שלהם עם OpenFOAM עבור יישומי הנדסה רוח, משאבים רבים זמינים כולל תיעוד OpenFOAM הרשמי ב-FLT:0 https: www.openfoam.com/documentation / User-orientedFLT:1, פורומים קהילתיים ופרסומים אקדמיים.ההשקעה ב- OpenFOAM ופיתוח מומחיות CFD משלמת דיבידנדים באמצעות הבנה משופרת של רוח-מבנה ויכולת התמודדות עם בעיות הנדסיות מורכבות.

מקורות נוספים להנדסת רוח ו-CDCD ניתן למצוא באמצעות ארגונים מקצועיים כגון האגודה האמריקאית של מהנדסים אזרחיים (ASCE) ב-FLT:0https: www.asce.orgirFLT:1 ומוסדות מחקר כמו המכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) ב-FLT:2https: www.govFLT:3, אשר מספקים הדרכה, תקנים, מחקר רלוונטי לתכנון מבנה ובדיקה מבנית.