Digitálny veterný tunel

Zbrazení proudnic na 3D modelu
Zdroj: Dlubal Software

Norma určuje pravidlá zaťaženia vetrom pri budovách so základnými jednoduchými tvarmi. Ak má navrhovaná konštrukcia zložitejší tvar, býva stanovenie zaťaženia vetrom náročné. V prípade významnejších stavieb sa pôsobenie vetra overuje skúškou na fyzickom modeli vo veternom tuneli.

Česká spoločnosť Dlubal Software nedávno predstavila svoj nový program RWIND Simulation, ktorý umožní vykonať numerickú CFD simuláciu prúdenia vzduchu vo veternom tuneli a stanoviť tak zaťaženie vetrom v prípade budov alebo objektov ľubovoľného tvaru.

Program RWIND Simulation funguje buď ako samostatný program, alebo ako rozšírenie programov RFEM a RSTAB spoločnosti Dlubal Software. Na simuláciu veterného tunela využíva metódu konečných objemov (Finite Volume Method – FVM) a osvedčený open source CFD software OpenFoam.

Výsledkom výpočtu je trojrozmerné pole rýchlosti a tlaku v definovanom priestore, t. j. vo veternom tuneli. Vypočítané hodnoty tlaku na hraničnom povrchu budovy sú potom použité na stanovenie zaťaženia vetrom pri ďalšom návrhu.

Príprava modelu

Pri CFD simuláciách býva príprava modelu pomerne zložitá a prácna. Zaberie väčšinou 60 – 80 % celkového času. Preto sa pri vývoji programu RWIND Simulation kládol veľký dôraz na maximálnu automatizáciu a zjednodušenie prípravy modelu. Modely na simuláciu možno načítať z programov RFEM a RSTAB, prípadne vo formáte STL (pre stereolitografiu).

Pôvodný importovaný model je potrebné na výpočet simulácie najprv upraviť – vytvára sa tzv. zjednodušený model, ktorý vychádza z pôvodnej geometrie a model obaľuje. Pri generovaní zjednodušeného modelu sa ignorujú drobné detaily modelu v závislosti od nastavenej úrovne detailu. Rovnako sa „zaslepujú“ otvory, ktoré sa majú uvažovať ako uzavreté a nemá cez ne prúdiť vzduch. Do programu možno načítať aj model terénu a okolitej zástavby, ktorá ovplyvní prúdenie vetra.

Pri zadávaní parametrov vetra možno prevziať hodnoty z normy EN 1991-1-4, ktorá na základe danej lokality, kategórie terénu a výšky budovy stanovuje rýchlosť vetra meniacu sa s výškou (veterný profil). Všetky údaje o vetre možno zadať aj ručne, resp. načítať tabuľku s hodnotami veterného profilu z programu MS Excel.

Pri simulácii vetra možno brať do úvahy aj vplyv turbulencie. Aj keď ide o pomerne zložitý fyzikálny jav, užívateľ si môže vybrať zjednodušený spôsob zadania, pri ktorom sa nastavuje iba intenzita turbulencie a program podľa toho sám upraví vstupné parametre potrebné na výpočet.

Rozložení tlakového namáhání na budovu od zatížení větrem
Rozloženie tlakového namáhania na budovu od zaťaženia vetrom | Zdroj: © www.sta-con.cz

Výpočet

Na základe nastavených parametrov sa najprv v priestore veterného tunela vygeneruje 3D sieť konečných objemov. Táto objemová sieť má optimalizovanú veľkosť prvkov, pričom v najbližšom okolí skúmaných objektov sú prvky menšie, zatiaľ čo smerom k okraju veterného tunela veľkosť prvkov postupne rastie.

Nastavenie jemnosti 3D siete má veľký vplyv na presnosť výsledkov a zároveň aj na dĺžku výpočtu. Pri modeloch s „hrubšou“ sieťou prebiehajú výpočty rádovo niekoľko minút, pri jemne nastavenej sieti môže ísť o desiatky minút alebo o hodiny.

Počas výpočtu program pomocou grafu zobrazuje priebeh konvergencie a užívateľ tak má dokonalý prehľad o tom, kde sa výpočet práve nachádza, a ak neprebieha podľa jeho predstáv, môže ho predčasne zastaviť a vstupné parametre upraviť.

Program RWIND Simulation je navrhnutý tak, aby umožnil paralelný výpočet s maximálnym využitím viacerých procesorov a jadier.

Zobrazení pole rychlostí na 3D modelu budovy
Zobrazenie poľa rýchlostí na 3D modeli budovy | Zdroj: © Sailer Stepan und Partner

Výsledky simulácie

Po skončení výpočtu možno vypočítané výsledky prehľadne zobraziť priamo v 3D modeli. Výstupom z aerodynamickej analýzy je plošný tlak na obvodové plochy budovy, priestorové pole tlakov, polia a vektory rýchlostí a prúdnice. Prúdenie vetra okolo budovy sa dá názorne zobraziť pomocou animácie línií prúdnic, ktorú možno priamo v programe uložiť do videosúboru.

Výsledky simulácie možno automaticky preniesť späť do programu RFEM alebo RSTAB na ďalšie použitie pri statickom výpočte. Zaťaženie sa exportuje vo forme samostatných záťažových stavov pre každý smer vetra. Ak neskôr dôjde k zmenám modelu, ktoré si vyžadujú nový výpočet simulácie veterného tunela, je možné spustiť celý výpočet na pozadí.

Vďaka jednoduchému ovládaniu rýchlosti výpočtu a prijateľnej cene sa program RWIND Simulation môže stať užitočným pomocníkom statikov a projektantov pri každodennej práci.

Výsledy simulace zobrazení proudnic
Výsledky simulácie zobrazenia prúdnic | Zdroj: Dlubal Software

www.dlubal.com

ZDROJ: PR článok spoločnosti Dlubal Software s.r.o.