The performance of CFD RANS models in predicting wind loads on flat plates: A comparative study with DNS

Abstract: Att kunna förutspå vindlaster är viktigt för att kunna optimera kostnaden för takmonterade solsystem, och en både lovande och allt mer populär metod för att gra detta är att använda sig av CFD. Denna studie undersökte hur olika RANS modeller presterar i att förutspå ett normalt vinklat flöde mot en platt platta för fyra olika förhållanden mellan plattans kortsida och långsida. De fyra turbulensmodeller studien testar var SST k-!, RSM, standard k-✏ och RNG k-✏; och de fyra olika förhållandena på plattan var 3,2, 1,6, 1 och en oändligt lång kortsida. Parametrarna studien fokuserade på är dragkoefficenten på plattan och recirkuleringslängden bakom den, simuleringarna utfördes i ANSYS CFX för ett flöde med Re = 1200. Vid jämförelse med en DNS studie och experimentell studie stod det klart att RSM hade presterat bäst i att förutspå draget på plattan för de finita förhållandena, och att det inte fanns någon modell som ensamt presenterat bäst i att förutspå recirkuleringslängden.  Generellt så presterade samtliga modeller bättre i att förutspå draget jämfört med att förutspå recirkuleringslängden, för vilken felmarginalen på predikteringarna var större. Även fast RSM presterade lika svagt som de andra modellerna i att förutspå recirkuleringslängden, så kunde den relativt väl förutspåläget för både det högsta värdet av den turbulenta rörelseenergin och högsta hastigheten bakom plattan, och också läget för virvelns centrum i strömningslinjerna bakom plattan. I fallet med oändligt lång kortsida var ingen modell riktigt nära valideringsdatan varken för dragkoefficienten eller för recirkuleringslängden. Samtliga modeller underskattade draget och överskattade recirkuleringslängden, men närmast valideringsdatan var standard k-✏ vilken är känd för att fungera dåligt för flöden likt det i denna studie. En förklaring till dessa överraskande resultat kan vara att turbulensmodellerna inte enkelt kan hantera den ökade turbulens och mer komplexa virveldynamiker som tillhör flödet för den oändligt långa kortsidan.