NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ÚČINKŮ ZATÍŽENÍ KONSTRUKCÍ

Podobné dokumenty
EXPERIMENTÁLNÍ A NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ÚČINKŮ

FLUENT přednášky. Turbulentní proudění

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava číslo 1, rok 2010, ročník X, řada stavební článek č. 18

INOVACE ODBORNÉHO VZDĚLÁVÁNÍ NA STŘEDNÍCH ŠKOLÁCH ZAMĚŘENÉ NA VYUŽÍVÁNÍ ENERGETICKÝCH ZDROJŮ PRO 21. STOLETÍ A NA JEJICH DOPAD NA ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ

Příspěvek do konference STČ 2008: Numerické modelování obtékání profilu NACA 0012 dvěma nemísitelnými tekutinami

Počítačová dynamika tekutin užitečný nástroj pro inženýry

POSTUPY SIMULACÍ SLOŽITÝCH ÚLOH AERODYNAMIKY KOLEJOVÝCH VOZIDEL

Modelování zdravotně významných částic v ovzduší v podmínkách městské zástavby

Numerická simulace sdílení tepla v kanálu mezikruhového průřezu

κ ln 9, 793 ρ.u.y B = 1 κ ln f r, (2.2) B = 0 pro k s + < 2, 25, (2.3)

Studentská tvůrčí činnost 2009

MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ VODY V OTEVŘENÝCH KORYTECH

NUMERICKÁ SIMULACE PROUDĚNÍ DVOUFÁZOVÉ VLHKÉ PÁRY OHYBEM POTRUBÍ Numerical simulation of two phase wet steam flow in pipeline elbow

MODELOVÁNÍ OBTÉKÁNÍ DVOU PRAHŮ V KANÁLU S VOLNOU HLADINOU Modelling of flow over two transversal ribs in a channel with free surface

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Turbulence

Počítačová dynamika tekutin (CFD) - úvod -

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava řada stavební, ročník 15, číslo 2, rok 2015 článek č.

Modelování proudění vzdušiny v elektroodlučovači ELUIII

1 POPIS MATEMATICKÉHO MODELU. 1.1 Použitý software FLOW-3D. Vodní nádrže , Brno

TEPLOTNÍHO POLE V MEZIKRUHOVÉM VERTIKÁLNÍM PRŮTOČNÉM KANÁLE OKOLO VYHŘÍVANÉ NEREZOVÉ TYČE

Posouzení vlivu vnitřních svalků na průchodnost přivaděče zhotoveného z polyetylénových trub.

VLIV KMITÁNÍ TRUBKY NA PŘESTUP TEPLA V KANÁLU MEZIKRUHOVÉHO PRŮŘEZU

Stacionární 2D výpočet účinnosti turbínového jeden a půl stupně

CFD výpočtový model bazénu pro skladování použitého paliva na JE Temelín a jeho validace

CFD simulace obtékání studie studentské formule FS.03

Colloquium FLUID DYNAMICS 2007 Institute of Thermomechanics AS CR, v. v. i., Prague, October 24-26, 2007 p.1

CFD. Společnost pro techniku prostředí ve spolupráci s ČVUT v Praze, Fakultou strojní, Ústavem techniky prostředí

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Výpočet stlačitelného proudění metodou konečných objemů

PROUDĚNÍ REGULAČNÍ MEZISTĚNOU TURBÍNOVÉHO STUPNĚ PŘI ROTACI OBĚŽNÉHO LOPATKOVÁNÍ. Jaroslav Štěch

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava číslo 2, rok 2014, ročník XIV, řada stavební článek č.

CFD simulace teplotně-hydraulické charakteristiky na modelu palivové tyči v oblasti distanční mřížky

PROUDĚNÍ V KAVITĚ VYVOLANÉ SMYKOVÝM TOKEM PŘI VELKÝCH REYNOLDSOVÝCH ČÍSLECH Shear-driven cavity flow at high Reynolds numbers

NESTABILITY VYBRANÝCH SYSTÉMŮ. Úvod. Vzpěr prutu. Petr Frantík 1

Modelování přepadu vody přes pohyblivou klapkovou konstrukci

Numerické řešení proudění stupněm experimentální vzduchové turbíny a budících sil na lopatky

CFD SIMULACE VE VOŠTINOVÉM KANÁLU CHLADIČE

Hydromechanické procesy Obtékání těles

Studentská tvůrčí činnost D modelování vírových struktur v rozváděcí turbínové lopatkové mříži. David Jícha

Hydromechanické procesy Turbulence

Vliv protiprašných sítí na dispersi pevných částic v blízkosti technologického celku (matematické modelování - předběžná zpráva)

Numerická simulace přestupu tepla v segmentu výměníku tepla

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

Bc. David Fenderl Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Okrajové podmínky

NUMERICKÝ VÝPOČET RADIÁLNÍHO VENTILÁTORU V KLIMATIZAČNÍ JEDNOTCE

U218 - Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. ! t 2 :! Stacionární děj, bez vnitřního zdroje, se zanedbatelnou viskózní disipací

Vliv vířivého proudění na přesnost měření průtoku v komínech

CFD ANALÝZA CHLAZENÍ MOTORU

Vliv Mosteckého jezera na teplotu a vlhkost vzduchu a rychlost větru. Lukáš Pop Ústav fyziky atmosféry v. v. i. AV ČR

Vliv změny geometrie mostní konstrukce a tvaru zábradlí na účinky větru

Proudění stlačitelné tekutiny v úzkém kanále 2016 ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE FAKULTA STROJNÍ BAKALÁŘSKÁ PRÁCE

ŘEŠENÍ TURBULENTNÍHO VAZKÉHO PROUDĚNÍ S ČÁSTICEMI METODOU LARGE EDDY SIMULATION

ZÁPADOČESKÁ UNIVERZITA V PLZNI FAKULTA STROJNÍ. Studijní program: B 2301 Strojní inženýrství Studijní zaměření: Stavba energetických strojů a zařízení

Stabilizace Galerkin Least Squares pro

Modelování proudění ve vysokém rozlišení

EXPERIMENTÁLNÍ A NUMERICKÝ VÝZKUM SPALOVACÍ KOMORY

SVOČ FST Bc. Václav Sláma, Zahradní 861, Strakonice Česká republika

Vliv úhlu distální anastomózy femoropoplitálního bypassu na proudové charakteristiky v napojení

Proudění vzduchu v chladícím kanálu ventilátoru lokomotivy

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov. Modelování termohydraulických jevů 3.hodina. Hydraulika. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Rozvoj tepla v betonových konstrukcích

Zpráva ze stáže v IMP PAN Gdaňsk (Polsko) Martin Kožíšek

Porovnání výsledků numerické analýzy programem FLUENT s měřením emisí NOx pro granulační kotel K11

Řešení vnější aerodynamiky kolejových vozidel

VÝPOČET AERODYNAMICKÝCH CHARAKTERISTIK VOZIDLA S VYBOČENÍM

Numerická simulace elastohydrodynamicky mazaného kruhového kontaktu nehladkých povrchů

STANOVENÍ SOUČINITELŮ MÍSTNÍCH ZTRÁT S VYUŽITÍM CFD

Experimentáln. lní toků ve VK EMO. XXX. Dny radiační ochrany Liptovský Ján Petr Okruhlica, Miroslav Mrtvý, Zdenek Kopecký.

NUMERICKÝ MODEL NESTACIONÁRNÍHO PŘENOSU TEPLA V PALIVOVÉ TYČI JADERNÉHO REAKTORU VVER 1000 SVOČ FST 2014

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

FLUENT přednášky. Metoda konečných objemů (MKO)

Simulace letního a zimního provozu dvojité fasády

Tomáš Syka Komořanská 3118, Most Česká republika

Václav Uruba home.zcu.cz/~uruba ZČU FSt, KKE Ústav termomechaniky AV ČR, v.v.i., ČVUT v Praze, FS, UK MFF

Numerická simulace proudění okolo válce za použití metody LES (Large eddy simulation)

VÝSLEDKY EXPERIMENTÁLNÍHO MĚŘENÍ A NUMERICKÉHO ŘEŠENÍ TEPELNĚ VLHKOSTNÍHO CHOVÁNÍ STAVEBNÍCH KONSTRUKCÍ

Sborník vědeckých prací Vysoké školy báňské - Technické univerzity Ostrava číslo 2, rok 2013, ročník XIII, řada stavební článek č.

Simulace oteplení typového trakčního odpojovače pro různé provozní stavy

PARAMETRICKÁ STUDIE VÝPOČTU KOMBINACE JEDNOKOMPONENTNÍCH ÚČINKŮ ZATÍŽENÍ

Mechanika tekutin je nauka o rovnováze a makroskopickém pohybu tekutin a o jejich působení na tělesa do ní ponořená či jí obtékaná.

Martin Červenka, Západočeská univerzita v Plzni, Univerzitní 8, Plzeň Česká republika

Řešení průtoku vazké stlačitelné tekutiny minikanálem

Nelineární úlohy při výpočtu konstrukcí s využitím MKP

6 Součinitel konstrukce c s c d

NUMERICKÉ SIMULACE ZAŘÍZENÍ PRO ODLUČOVANÍ PEVNÉ FÁZE ZE VZDUŠINY

MODÁLNÍ ANALÝZA ZVEDACÍ PLOŠINY S NELINEÁRNÍ VAZBOU

Termomechanika 10. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

OPTIMALIZACE VYTÁPĚNÍ NADZEMNÍCH POŽÁRNÍCH NÁDRŽÍ HEATING OPTIMIZATION OF ABOVEGROUND FIRE TANKS

MODELOVÁNÍ TURBULENTNÍHO PROUDĚNÍ

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

Centrum kompetence automobilového průmyslu Josefa Božka - AutoSympo a Kolokvium Božek 2. a , Roztoky -

Proudové pole ve vstupní části aerodynamického tunelu

Stanovení požární odolnosti. Přestup tepla do konstrukce v ČSN EN

MĚŘENÍ A MODELOVÁNÍ DYNAMICKÝCH DĚJŮ V PRUŽNÉM POTRUBÍ. Soušková H., Grobelný D.,Plešivčák P.

Model Position Influence on Surrounding Pressure Field in Wind- Tunnel Test Section

133PSBZ Požární spolehlivost betonových a zděných konstrukcí. Přednáška A3. ČVUT v Praze, Fakulta stavební katedra betonových a zděných konstrukcí

MODELOVÁNÍ V MECHANICE

Transkript:

NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ÚČINKŮ ZATÍŽENÍ KONSTRUKCÍ VĚTREM V REÁLNÉ ATMOSFÉŘE NUMERICAL MODELING WIND ACTION ON STRUCTURES IN REAL ATMOSPHERE Vladimíra Michalcová 1, Zdeněk Michalec 2, Lenka Lausová 3, Abstract Atmospheric boundary layer numerical simulation is base for analysis of wind action on structures. The paper is aimed on the possibility of numerical simulation of flow in real atmosphere in simplified set conditions. The problem is solved by the program Fluent 6.2 in 3D stationary task. 1 Úvod Numerické modelování mezní vrstvy atmosféry (MVA) je základem pro řešení účinků zatížení konstrukcí větrem. Pojmu MVA je věnována kap.1 v článku Experimentální a numerické modelování účinků zatížení konstrukcí větrem v tomto sborníku příspěvků. Práce je zaměřena na zjišťování možností numerické simulace obtékání budov v reálné atmosféře ve zjednodušeném ustáleném stavu. Úloha je řešena v programu Fluent 6.2 jako 3D stacionární úloha. Využití matematických modelů založených na časovém středování Computational Wind Engineering (CWE) je nové vědní odvětví jako součást Computational Fluid Dynamics (CFD), které řeší kvazistatické zatížení budov větrem matematickým modelováním. Významná pozornost je věnována proudění atmosféry kolem hranatých budov ( bluff body ). Jedná se o složité plně turbulentní proudění, které se liší případ od případu. Úplný matematický popis turbulence je velmi problematický. Turbulence je charakterizována nepředvídaným pohybem tekutiny. Klíčem k tomuto chaotickému chování je citlivost k počátečním podmínkám. Tzn., malé změny počátečních podmínek vyvolávají velké a nepředvídatelné změny v dlouhodobém vývoji systému. Modelování turbulence je stále ve stádiu výzkumu a vývoje, který se neustále rozvíjí s pokrokem v matematickém, fyzikálním a výpočetním odvětví. Pro řešení turbulentního proudění vzhledem ke své složité a ne dosud plně objasněné fyzikální podstatě turbulence zatím neexistuje obecně platný model, a proto se používají zjednodušené modely. Při matematickém modelování obtékání budov se užívají LES Large Eddy Simulation a různé typy modelů založených na metodě časového středování-rans (Reynolds Averaged Navier-Stokes), zvláště statistické modely turbulence k-ε, Spalart-Allmaras nebo nově vyvinutý model SST k-ω, vytvořen kombinací k-ε a k-ω modelů. SST model využívá možnosti nízkoreynoldsového modelu 1 Ing. Vladimíra Michalcová, VŠB-TU, Fakulta stavební, Katedra stavební mechaniky, Ludvíka Podestě 1875, Ostrava-Poruba, e-mail::vladimira.michalcova@vsb.cz 2 Ing. Zdeněk Michalec, Ústav geoniky AVČR, Studentská 1768, Ostrava-Poruba, e-mail: michalec@ugn.cas.cz 3 Ing. Lenka Lausová, VŠB-TU, Fakulta stavební, Katedra stavební mechaniky, Ludvíka Podestě 1875, Ostrava-Poruba, e-mail:lenka.lausova@vsb.cz 1

k-ω přímého modelování u stěny. Metoda LES je založena na nestacionárním modelování pohybů velkých vírů, které je možné řešit pouze vhodným, velmi jemným mřížkováním. Tato metoda vykazuje zatím ve výpočtech obtékání hranatých budov nejpřesnější výsledky, ale pro široké využití není zatím dostupná pro nedostatečnou výkonnost současné výpočetní techniky a časovou náročnost výpočtu. Pozornost je tedy věnována modelům založených na časovém středování. Na konkrétním příkladu jsou vyhodnoceny výsledky numerické simulace obtékání objektu v porovnání s měřením in situ. 2 Popis úlohy Budova tvaru krychle o rozměru H=6 metrů, tzv. Silsoe krychle umístěna ve volném rovném prostoru je vystavena statickému působení větru.v [1],[2],[3] byly shodně publikovány výsledky dvou měření tlakového zatížení této skutečné budovy v různých časových obdobích (při různých rychlostech větru). Rovněž byly publikovány výsledky šesti měření zatížení stejné budovy v aerodynamických tunelech prováděných v různých zemích. Jako výstup měření je uvedeno rozložení aerodynamického součinitele tlaku c p pro všechna měřená místa po obvodu budovy [1]. Ten je závislý pouze na geometrii objektu a jeho okolí, nikoli na Reynoldsově čísle, tudíž ani na rychlosti větru [4]. Odběrová místa objektu jsou patrná z obr.1. Střecha má odběrová místa shodná s boční stěnou, závětrná strana se stranou návětrnou. Obr. 1: Silsoe krychle s odběrovými místy (vlevo) a schéma rozložení tlakového zatížení na povrchu při numerické simulaci (vpravo) 3 Numerická simulace Výpočet byl proveden pomocí vybraných matematických modelů Fluentu s vhodnými předpoklady k simulaci proudění v MVA: Spalart-Allmaras RNG k-ε Realizable k-ε SST k-ω Vzhledem k složitému a citlivému modelování proudění u stěny (správné určení drsnosti a dodržení bezrozměrné velikosti buňky y + v blízkosti stěny [4]), byla věnována pozornost tvorbě sítě ve výpočtové oblasti 120x 86x 46 (délkax šířkax výška). Testování bylo provedeno u dvou typů mřížek tvořenými šestistěny, zhuštěných na stěně budovy s největším zahuštěním v rozích kostky. Jedna síť má 415 tisících buněk a druhá 1 2

milión, což je vzhledem k jednoduché geometrii velice hustá síť a zvyšuje náročnost výpočtu při jeho eventuálním komerčním využití. Obr. 2: Síť výpočtové oblasti - podélný řez: 415 tis.buněk (vlevo), 1milón buněk (vpravo) Potřebné podklady pro výpočet včetně okrajových podmínek byly získány z měření v reálu publikovaných ve zmíněných literaturách, z kterých byly následně definovány okrajové podmínky uvedené v tab.1. Vertikální profil střední rychlosti větru je udáván buďto logaritmickou závislostí ve tvaru u = 1,465ln z + 6, 7466, nebo přímo změřenými hodnotami, stejně jako složky intenzity turbulence. Při zpracování podkladů byla vypočtena třecí rychlost pro různé referenční rychlosti. Kontrolní výpočet byl proveden pro referenční rychlost větru 7ms -1 se zachováním vertikálního rychlostního profilu odpovídajícímu okolnímu terénu in situ. třecí rychlost [ms -1 ] u* = uref. κ / 6,39895 = 1, 4593 logaritmický rychlostní profil [ms -1 ] u = 1,0939. aerodynamická drsnost [-] z = 0,01 ( u* ) turbulentní kinetická energie [m 2 s -2 ] k = o C µ 2 ln z + z z o o rychlost disipace [m 2 s -3 ] specifická rychlost disipace [s -1 ] ( u* ) 3 ε = κ. z ε ω = k. C µ modifikovaná turbulentní viskozita [m 2 s -1 ] ν t1,2 C = µ. k ε 2 kde: κ = 0,41 von Kármánova konstanta C µ = 0,09 konstanta Tab. 1: Vertikální vstupní profily rychlosti a turbulentních veličin Jak bylo uvedeno v článku Experimentální a numerické modelování účinků zatížení konstrukcí větrem v tomto sborníku příspěvků, k-ε modely i Spalart-Allmaras model 3

MODELOVÁNÍ V MECHANICE OSTRAVA, ÚNOR 2006 podhodnocují turbulentní kinetickou energii a tím i intenzitu. Výpočty jsou tudíž provedeny se sníženou turbulencí tak, aby byla zachována rovnováha nastavení řešení pohybových rovnic Navier Stokesovy a rovnice kontinuity ve Fluentu včetně potřebných tranportních rovnic pro uvažované modely. Při nedodržení této rovnováhy dochází k rozpadu proudového pole hned na začátku výpočtové oblasti [5]. 4 Výsledky řešení Nejméně vhodným modelem k řešení proudění v MVA stacionární úlohou se prokázal model Realizable k-ε vzhledem k rozloze a velikosti vírů v okolí sledovaného objektu i k průběhu lokálního tlakového zatížení. Naopak nejlepších výsledků bylo dosaženo modelem SST k-ω, ať již polohou a velikosti zavíření (obr.3) nebo hodnotami aerodynamického součinitele cp (obr.6). Spalart-Allmaras model nevytváří vír na střeše budovy, model RNG k-ε jej podhodnocuje a vyzvedává do výšky (obr.4). Důležité je dosažení stability rychlostního pole v celé výpočtové oblasti u všech modelů. Na obr.5 jsou vertikální profily střední rychlosti větru v příčných řezech před budovou, které drží svůj tvar. Ke změně profilu dochází až v důsledku obtékaného objektu (line30). Obr. 3: Zavíření v okolí objektu: SST model, síť 450tis. buněk (vlevo), síť 1mil. buněk (vpravo) Obr. 4: Zavíření v okolí objektu: Spalart-Allmaras model, síť 450tis. buněk (vlevo), RNG k-ε, síť 1mil. buněk (vpravo) Obr. 5: Rychlostní profil: celá oblast (vlevo), hodnoty střední rychlosti v příčných řezech před objektem (vpravo) 4

cp 1,0 součinitel 0,5 SST k-ω porovnání s měřením 0,0-0,5-1,0-1,5 návětrná střecha závětrná -2,0 0 6 12 18 metry SST- 415 tis.buněk SST- milión buněk 1.měření 2.měření cp 1,0 součinitel 0,5 RNG k-ε porovnání s SST a měřením 0,0-0,5-1,0-1,5 návětrná 0 6 12 18 metry SST- milión buněk 1.měření 2.měření RNG - 415 tis. buněk střecha RNG - milón buněk závětrná cp 1,0 součinitel 0,5 Spalart allmaras porovnání s SST, RNG a měřením 0,0-0,5-1,0-1,5 návětrná střecha závětrná -2,0 0 6 12 metry 18 SST- milión buněk 2.měření Spalart - 415 tis. buněk 1.měření RNG - milón buněk Spalart - milión buněk Obr. 6: Porovnání aerodynamického součinitele tlaku získaného numerickou simulací a měřením v reálu 5

Obr. 7: Porovnání aerodynamického součinitele tlaku získaných fyzikálním experimentem a měřením v reálu Průběhy lokálního tlakového součinitele v podélném řezu budovy dle obr.1 a jejich porovnání s měřenými hodnotami v reálné atmosféře při užití obou sítí jsou zřetelné z obr.6. Návětrná i závětrná strana vykazují uspokojivý výsledek, na střeše dochází k jistému nesouladu. Nutno ovšem podotknout, že se jedná obecně o nejproblematičtější místo, kde se nepatrně liší i hodnoty z měření in situ. Dokazují to také výsledky z fyzikálních experimentů stejného úkolu na různých světových pracovištích [3]. Shrnutí jejich vyhodnocení aerodynamických součinitelů je na obr.8. K jistým rozdílům dochází nejen na střeše, ale nepatrně se liší také na závětrné straně. 5 Závěr Využití matematických modelů turbulentního proudění založených na časovém středování (RANS) k modelování dějů v reálné atmosféře je možné. Přesnost numerického modelování je ovšem podmíněna vhodným výběrem matematického modelu a přesností zadaných vstupních dat. Vypočtené hodnoty je nutné zatím vždy srovnávat s hodnotami změřenými in situ, nebo v aerodynamickém tunelu. Problematice možnosti řešení zatížení konstrukcí působením větru numerickým modelováním se budeme nadále věnovat za účelem získání přesnějších výsledků, podrobnějšího vyšetření proudového pole a zkoumání vlivu modifikací úloh.vypočtené hodnoty je nutné zatím vždy srovnávat s hodnotami skutečnými, nebo jiným přístupem k problematice. Literatura [1] Knapp, G. COMPARSION OF FULL-SCALE AND CFD RESULTS FOR THE SILSOE 6M CUBE: WIND ENGINEERING 2003: LUBBOCK, TEXAS, USA, 2003 [2] Richards, P. J. WIND TUNEL MODELING OF THE SILSOE CUBE: EACWE4 PRAHA, 2005 [3] Hoxey, R. P. HAW HAVE FULL-SCALE MEASUREMENTS IMPROVED THE RELIABILITY OF WIND-LOADING CODES?: WIND ENGINEERING 2003: LUBBOCK, TEXAS, USA, 2003 [4] Michalcová, V. NUMERICKÉ MODELOVÁNÍ ZATÍŽENÍ BUDOV PŘI KVAZISTATICKÉM PŮSOBENÍ VĚTRU: TEZE DISERTAČNÍ PRÁCE, Ostrava 2005 [5] FLUENT. USERS GUIDE, FLUENT 6.2, LEBANON, FLUENT INCORPOTATET 2005 6