Ukázka výsledků simulace – pole rychlostí v okolí modelu Eiffelovy věže
Aktuálně platná norma udává pravidla pro zatížení větrem u budov základních jednoduchých tvarů. Pokud má navrhovaná konstrukce složitější tvar, bývá stanovení zatížení větrem v praxi obtížné. U významnějších staveb se působení větru ověřuje zkouškou na fyzickém modelu ve větrném tunelu. Česká společnost Dlubal Software nedávno představila svůj nový program RWIND Simulation, který umožní provést numerickou CFD simulaci proudění vzduchu ve větrném tunelu a stanovit tak zatížení větrem na budovy nebo objekty libovolných tvarů. Díky jednoduchosti ovládání, rychlosti výpočtu a přijatelné ceně se program RWIND Simulation může stát užitečným pomocníkem statiků a projektantů při jejich každodenní práci.
Program RWIND Simulation funguje buď jako samostatný program nebo jako rozšíření stávajících programů RFEM a RSTAB od společnosti Dlubal Software s. r. o. Pro simulaci větrného tunelu využívá metodu konečných objemů (Finite Volume Method – FVM) a osvědčený open source CFD software OpenFoam, především modul SimpleFoam pro simulaci proudění větru okolo budov.
Výpočet nestlačitelného turbulentního proudění se provádí pomocí algoritmu SIMPLE (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations). Výsledkem výpočtu je trojrozměrné pole rychlosti a tlaku v definovaném prostoru, tj. ve větrném tunelu.
Spočtené hodnoty tlaku na hraničním povrchu budovy jsou poté použity pro stanovení zatížení větrem při dalším návrhu.
PŘÍPRAVA MODELU
V praxi, při CFD simulacích, bývá příprava modelu poměrně složitá a pracná a představuje většinou 60 až 80 % celkového času.
Proto byl při vývoji programu RWIND Simulation kladen velký důraz na maximální automatizaci a zjednodušení přípravy modelu. Modely pro simulaci lze načíst z programů RFEM a RSTAB, případně ve formátu STL (pro stereolitografii).
Původní importovaný model je potřeba pro výpočet simulace nejprve upravit – vytváří se tzv. zjednodušený model, který vychází z původní geometrie a model „obaluje“. Při generování zjednodušeného modelu se ignorují přílišné detaily originálu, a to v závislosti na nastavené úrovni detailu. Rovněž se zaslepují otvory, které se mají uvažovat jako uzavřené a vzduch skrz ně nemá proudit. Kromě modelu vlastní budovy lze do programu načíst také model terénu a okolní zástavby, která ovlivní proudění větru. Podle celkové velikosti modelu program automaticky nastaví prostor větrného tunelu, přičemž uživatel může rozměry tunelu podle potřeby kdykoli sám upravit.
Při zadávání parametrů větru je možné převzít hodnoty z normy EN 1991-1-4, která na základě dané lokality, kategorie terénu a výšky budovy stanoví rychlost větru měnící se s výškou (větrný profil). Veškeré údaje o větru lze také zadat ručně, resp. načíst tabulku s hodnotami větrného profilu z programu MS Excel.
Při simulaci účinků větru je možné také uvažovat vliv turbulence. Přestože se jedná o poměrně složitý fyzikální jev, uživatel si může vybrat zjednodušený způsob zadání, kdy se nastavuje pouze intenzita turbulence a program podle toho sám upraví potřebné vstupní parametry pro výpočet. Zkušenější uživatelé pak mohou zvolit pokročilejší způsob zadávání turbulence a jednotlivé parametry zadají sami.
VÝPOČET
Na základě nastavených parametrů se nejprve v prostoru větrného tunelu vygeneruje 3D síť konečných objemů. Tato objemová síť má optimalizovanou velikost prvků, kdy v nejbližším okolí zkoumaných objektů jsou prvky menší, zatímco směrem k okraji větrného tunelu se velikost prvků postupně zvětšuje. Nastavení jemnosti 3D sítě má velký vliv na přesnost výsledků a zároveň také na délku výpočtu. U modelů s hrubší sítí proběhnou výpočty v řádu minut, u jemně nastavené sítě může jít o desítky minut nebo hodiny.
Během výpočtu program zobrazuje pomocí grafu průběh konvergence a uživatel tak má dokonalý přehled o tom, kde se výpočet právě nachází. Pokud výpočet neprobíhá podle jeho představ, může jej předčasně zastavit a vstupní parametry výpočtu upravit.
Program RWIND Simulation je navržený tak, aby umožnil provádět paralelní výpočet s maximálním využitím více procesorů a jader. Doba výpočtu se tedy dá také zkrátit zajištěním dostatečného výkonu a kapacity počítače.
VÝSLEDKY SIMULACE
Po skončení výpočtu lze dosažené výsledky přehledně zobrazit přímo na 3D modelu. Výstupem z aerodynamické analýzy je plošný tlak na obvodové plochy budovy, prostorové pole tlaků, pole a vektory rychlostí a proudnice. Simulace proudění větru kolem budovy lze názorně zobrazit pomocí animace linií proudnic, kterou je možné přímo v programu uložit do souboru videa.
Aby se spočtené zatížení větrem mohlo dále použít ve statickém výpočtu, přenesou se výsledky simulace automaticky zpět do programu RFEM nebo RSTAB, ze kterého byl model převzatý. Zatížení se exportuje ve formě samostatných zatěžovacích stavů pro každý směr větru. Dojde-li později ke změnám modelu, které vyžadují nový výpočet simulace větrného tunelu, je možné pustit celý výpočet na pozadí.
Program RWIND Simulation je primárně určený pro použití ve stavebnictví, ale vzhledem ke své otevřenosti a univerzálnosti najde jistě uplatnění v dalších oblastech.
Ing. Petr Míchal
Dlubal Software s. r. o.
