Р1.»Основы аэродинамики. Аэродинамические трубы постоянного действия

В Казани ликвидируют последствия обрушившегося на город урагана. Разрушения вызваны эффектом аэродинамической трубы, заявили в Росгидромете.

В Казани ликвидируют последствия урагана, который вместе с дождем и градом обрушился на столицу Татарстана накануне. Более двадцати пострадавших остаются в больницах Казани, трое из них находятся в реанимации, сообщил министр здравоохранения республики Адель Вафин.

Температурная разница могла вызвать разрушительный ураган, который пронесся по территории Казани. Такое мнение НСН высказал начальник ситуационного центра Росгидромета Юрий Варакин.

«Фронт, который пронесся по территории Татарстана, сегодня продолжит свое движение, но уже по республике Башкортостан. Дневная температура в Татарстане до грозового фронта составляла 30 градусов, а в эпицентре самого фронта температура была на 10 градусов ниже. Температурная разница и высокая влажность способствовала созданию идеальных условий для роста дождевых облаков, высота которых достигала 12-14 километров – все это и обрушилось на город», - объяснил специалист.

По словам Юрия Варакина, несмотря на то, что оповещение населения произошло достаточно оперативно, скорость надвигающегося фронта была очень высокая, и избежать полностью последствий от урагана было невозможно.

«В мировой практике у синоптиков есть стандарты для больших городов, где между домами из-за ограниченного пространства возникает эффект аэродинамической трубы. Поэтому, даже не при ураганном ветре в 18 метров в секунду, но при плотной застройке появляются микросмерчи», - отметил представитель Росгидромета.

МЧС Татарстана заранее объявило штормовое предупреждение, которое будет действовать до конца 7 сентября и ночью 8 сентября на территории республики, напомнил НСН начальник пресс-службы ГУ МЧС России по РТ Андрей Родыгин.

«Штормовое предупреждение и рекомендации для населения были немедленно выведены на терминальные комплексы ОКСИОН и размещены на сайте Главного управления МЧС России по Республике Татарстан. Прогнозируемые риски и рекомендованные превентивные мероприятия были доведены до органов местного самоуправления, руководителей министерств и ведомств организаций. Заранее были приведены в готовность все службы экстренного реагирования», - рассказал представитель МЧС Татарстана.

По его словам, в результате происшествия пострадали 19 человек, из них 2 детей. Все пострадавшие были доставлены в медицинские учреждения Казани.

«За время проведения аварийно-восстановительных работ в оперативно-дежурную смену МЧС России по Республике Татарстан поступило более 100 оперативных сообщений (срыв, повреждения кровли, нарушения энергоснабжения, падение деревьев, падение рекламных стендов). Поступали сообщения от жителей о не справляющейся ливневой канализации. Повреждена кровля на 19 строениях, в Казани повреждено 930 деревьев, 230 автомобилей», - уточнил в разговоре с НСН Андрей Родыгин.

Как заявили в МЧС Татарстана, спасатели и коммунальные службы города планируют закончить восстановительные работы к 12 часом дня.

«Такие оперативные события на территории республики - не редкость, поэтому все специальные подразделения постоянно находятся в полной готовности и при малейших признаках непогоды способны выехать на место возможной аварии», - добавил представитель МЧС.

В настоящий момент к устранению последствий ЧС привлечено личного состава – 988 человек, от МЧС – 213 человек; техники – 208 единиц, от МЧС – 28 единиц, в том числе силы Приволжского регионального поисково-спасательного отряда МЧС России (49 человек, 7 ед.техники).

Если исключить трубы специаль­ного назначения, то можно считать, что целью обычных аэродинамиче­ских труб является изучение зако­нов движения тел в однородных сре­дах. Следовательно, труба проекти­руется так, чтобы в ее рабочей части поле скоростей и давлений было однородным.

В зависимости от величины ско­рости потока в рабочей части аэро­динамические трубы делятся на трубы:

а) малых скоростей, с чис­лом М порядка 0,1-0,2 и меньше;

б) дозвуковые, с числом М от 0,2 до 1,0;

в) сверхзвуковые, с числом М от 1 до 10-12; г) гиперзвуковые, с числом М свыше 12.

В зависимости от того, является ли поток замкнутым, все аэродина­мические трубы делятся на два типа: прямые трубы с не замкнутым потоком (рис. 2.1, а, б ) и трубы с пото­ком, циркулирующим в замкнутом канале (рис. 2.1, в, г и д ).

Рис. 2.1. Типы аэродинамических труб:

а – незамкнутая труба ЦАГИ [Центральный аэрогидродинамический институт];

б - незамкнутая труба Национальной физической лаборатории (Англия); в – замкнутая с одним обратным каналом; г – замкнутая с двумя обратными каналами;

д – труба с переменным давлением

Главный недостаток незамкнутых труб заключается в том, что их необходимо располагать в больших помещениях. Надо, чтобы поперечное сечение помещения во много раз превосходило площадь сечения трубы, тогда скорость воздуха в помещении будет небольшой. Указанный недостаток можно устранить, если поль­зоваться воздухом, поступающим извне помещения. Так, аэро­динамическая труба, построенная в Шале-Медоне (Франция), расположена так, что в трубу воздух засасывается из атмосферы. При этом частично используется скоростной напор естественного ветра. Недостатком такой трубы является зависимость физических свойств воздуха в ее рабочей части от состояния атмосферы.

Другим недостатком труб первого типа является их низкий к. п. д., так как при выходе из трубы теряется вся кинетическая энер­гия потока. Последний недостаток устраняется в трубах замкну­того типа. Однако замкнутость потока приводит к тому, что воз­мущения, возникающие за винтом, а также на поворотах трубы, распространяются по потоку в обратном канале и достигают ра­бочей части, делая поток в ней неоднородным. Этот дефект может быть ликвидирован расширением потока в обратном канале и поджатием потока рабочей частью, установкой лопаток на по­вороте и другими способами .

В зависимости от того, имеет ли рабочая часть твердые стенки, аэродинамические трубы делятся на трубы с закрытой и с откры­той рабочей частью.

По состоянию среды в рабочей части трубы могут быть: с нор­мальным атмосферным давлением, с повышенным или пониженным давлением в рабочей части и, наконец, трубы с переменным давле­нием (рис. 2.1, д ). В последних в зависимости от поставленной задачи может быть создано разрежение или повышенное давление.

Аналогичную классификацию можно производить и по другим физико-химическим свойствам среды, заполняющей трубу. Суще­ствуют трубы с переменной температурой, влажностью. Рабочей средой в трубе кроме воздуха могут служить другие газы: гелий, фреон и др.

Требования, предъявляемые к аэродинамическим трубам, опре­деляются теми явлениями, которые предполагается изучать. Моделирование в трубах тех или иных явлений зависит от возмож­ности соблюдения законов теории подобия.

Обычно полностью удовлетворить все требования теории по­добия не удается. Чаще всего осуществляется приближенное подобие. Для того чтобы знать, какими условиями можно прене­бречь при приближенном моделировании, необходимо хорошо знать основные качественные закономерности изучаемых явлений.

Иногда при моделировании допускается лишь приближенное выполнение условий геометрического подобия . Так, при изучении аэродинамических характеристик самолета или дирижабля на обычных высотах полета всегда строго соблюдают геометрическое подобие между натурным объектом и моделью. Но при этом ни­когда не создают окружающее модель пространство, геометри­чески подобное изучаемому. Последнее условие заменяется тре­бованием, чтобы поток в аэродинамической трубе имел достаточно большие размеры по сравнению с размерами модели. В качестве аналогичных примеров можно привести изучение распределения давлений на крыле бесконечного размаха, на профиле и много других.

Более строгими требованиями являются требования кинема­тического подобия . Поле скоростей и давлений в потоке перед моделью в аэродинамической трубе должно соответствовать полю скоростей и давлений в изучаемом потоке. Из условий динамиче­ского подобия в экспериментальной аэродинамике обычно суще­ственное значение имеет соблюдение подобия по числам Re и М. Следовательно, при проектировании труб требуется, чтобы числа Re и М, получаемые при опытах в трубе, были равны тем, которые имеют место в натуре.

Большие числа Re можно получить в трубах с большим диа­метром рабочей части или при значительном снижении величины кинематической вязкости среды. Очевидно, что числа Re можно повысить и за счет увеличения скорости потока.

Величину кинематической вязкости воздуха можно уменьшить либо поднимая температуру, либо повышая давление.

Увеличение числа Re уменьшением величины кинематической вязкости послужило основанием для проектирования труб пере­менной плотности, точнее, аэродинамических труб с повышенным давлением. В трубах такого типа давления достигают 245·10 4 Па, скорости - 40 м/с и диаметр рабочей части-около 2 м, число Re при этом окажется равным 1,38·10 8 , в то время как при нормальном давлении оно равно 5,5·10 6 .

Труба переменного давления показана на рис. 2.1, д . Внешний корпус такой трубы должен быть очень прочным. Толщина стальных стенок наружного кожуха достигает 50 мм.

Моделирование явлений в трубах при значительных числах Re и М пока неизбежно приводит к постройке гигантских труб с огром­ными скоростями и большими мощностями. Поэтому уже в 1941- 1945 гг. имелись трубы с диаметром рабочей части 10- 20 м, скоростью потока до семи скоростей звука и потребляемыми мощностями около 100 тыс. кВт.

Конструкция и размеры аэродинамических труб чрезвычайно разнообразны и зависят прежде всего от задач эксперимента.

Наибольшее распространение в лабораториях заводов и НИИ [научно-исследовательский институт] получили замкнутые трубы с одним обратным каналом (рис. 2.1, в ) и открытой или закрытой рабочей частью. Основными элементами таких труб являются конфузор (или коллектор) Е , рабочая часть А , диффузор Б , винто-моторная группа В , поворотные колена Г и обратный канал Д (рис. 2.2). Кроме того, для выравнивания и успокоения потока в рабочей части в большом сечении коллек­тора устанавливаются сетки и решетки Ж , а при входе в диффузор устанавливается кольцевой раструб [расширение в виде воронки] с крыловым профилем К .

На рис. 2.2 в качестве примера даны размеры трубы с диаметром рабочей части 2 м.

Для оценки эффективности использования располагаемой энергии в аэродинамических трубах обычно вводят величину качества трубы, равную отношению кинетической энергии массы жидкости, протекающей через рабочую часть в 1 с, к энер­гии на валу двигателя.

Если кинетическую энергию Е в рабочей части трубы пред­ставить в виде

где m, ρ, V и F - секундная масса, плотность, скорость потока и площадь поперечного сечения в рабочей части, тогда качество трубы К будет равно

где N -мощность на валу двигателя, кВт.

Часто в практике пользуются коэффициентом мощности λ, который равен обратной величине качества, т. е.

Если через η обозначить к. п. д. компрессора или вентилятора, создающего поток, то величина мощности, подводимая к потоку N 0 , будет: N 0 = N η. При установившейся работе трубы подводимая мощность N 0 должна быть равна сумме потерь, имеющих место в проточной части трубы. Тогда величина качества будет иметь вид

Сумма потерь определяется аэродинамическим расчетом потерь во всех элементах трубы.

В замкнутых трубах (с обратным каналом) величина качества больше единицы и в хорошо спроектированных трубах изменяется в пределах от 2 до 5. В незамкнутых и эжекторных трубах при больших сверхзвуковых скоростях потока качество трубы может быть значительно меньше единицы.

Рис. 2.2. Аэродинамическая труба ЛПИ

1.Виды аэродинамических труб.

Аэродинамические эксперименты проводят в аэродинамических трубах, где создается искусственно регулируемый поток воздуха. При этом используется закон обращения движения, в соответствии с которым сила, действующая на тело, движущееся в среде со скоростью V, равна силе, действующей на тоже тело, закрепленное неподвижно и обдуваемое потоком с той же скоростьюV.

Модель устанавливается неподвижно. В трубе необходимо создать равномерный поток, имеющую одинаковую плотность и температуру. В аэродинамических трубах определяют силы, действующие при полете ЛА, находят оптимальные формы последних, исследуют устойчивость и управляемость. Форма автомобилей в настоящее время!!!

Два вида аэродинамических труб: АТ прямого действия. АТ прямого типа – простота конструкции.

В АТ замкнутого типа входная и выходная части соединены между собой, такие трубы более экономичны , т. к. энергии вентилятора частично используется повторно. АТ предназначены для исследований в области сверхзвуковых скоростей. В общих чертах они похожи, но сверхзвуковые имеют рабочую часть в виде сопла Лаваля (сужающаяся в расширяющуюся). Для измерения сил и моментов используются аэродинамические весы.

Помимо труб, применятся «летающие лаборатории» - спецальные самолеты с приборным оборудованием.

2.Строение атмосферы.

Земля окружена газовой оболочкой, которая создает условия жизни и защищает от радиации. Атмосфера – та часть газовой оболочки, которая вращается вместе с Землей.

Полеты ЛА происходит в атмосфере, и поэтому зависят от нее.

Воздух, как и любой газ обладает неограниченной возможностью расширяться и равномерно заполнять весь объем; в то же время воздух, находясь в гравитационном поле Земли обладает большим весом (51.7*10^18 Н). (поэтому плотность и давление по высоте изменяются)!!!

Воздух – механическая смесь газов (азот~78 %, кислород~21 %, аргон~0.93 %, [СО, водород, неон, гелий]~0.07 %). Этот относительный состав до Н=90км практически не изменяется. Неравномерный нагрев участков Земли, вращение Земли способствуют развитию воздушных ***** (слоистое течение). В слоях атмосферы меняется не только состав, но и температура.

Из-за вращения атмосфера сплющена над полюсами иразбухает над экватором.

Тропосфера (8-18км) характеризуется интенсивным перемещением воздуха, наличием облачности, осадков, понижением температуры по высоте (в среднем на 1000м температура уменьшается на 6.5С. (–70С до +55С). В верхних слоях тропосферы температура – 56.5С. В тропосфере сосредоточено ~20 % всей массы атмосферы.

Стратосфера (до 55км) в нижних её слоях до ~25км постоянная температура воздуха, далее на больших высотах температура повышается.

Паузы – переходные зоны между основными слоями атмосферы. Наибольший интерес – тропопауза (между тропосферой и стратосферой) – это зона основных полетов современных самолетов.

3.Вязкость воздуха.

На аэродинамические силы большое влияние оказывают вязкость, а при больших скоростях и сжимаемость воздуха.

Вязкость – сопротивление относительному смещению слоев. Оценивается коэффициентами:

 = динамическая вязкость,

 = абсолютная вязкость,

 = плотность,

Вязкость газа с повышением температуры возрастает. Вязкость жидкостинаоборот.

Аэродинамика высотных зданий

Профессор, доктор техн. наук, член-корр. РААСН;

Доцент МАрхИ

В предлагаемой ниже статье изложены предложения по расчетным наружным климатическим параметрам для проектирования систем ОВК и теплозащиты высотных зданий, а также результаты исследования аэродинамики высотных зданий. Значения расчетных климатических параметров являются оригинальными и рассматриваются на примере климатических условий г. Москвы. Аэродинамические исследования обобщают результаты ряда международных проектов.

Введение

Вопросы аэродинамики зданий всегда считались достаточно важными, а в ряде случаев – определяющими для проектирования вентиляции зданий и расчета воздушных потоков внутри здания, оценки влияния здания на аэродинамический режим прилегающей территории, выбора ограждающих конструкций с необходимой воздухопроницаемостью. Кроме того, внутри зданий могут возникать сильные воздушные потоки, что требует специальных решений: шлюзования входных дверей, лестничных секций, герметизации мусоропроводов и т. д. Есть еще ряд вопросов, который связан с аэродинамикой зданий, в том числе рассеивание вредностей, расположение пешеходных дорожек, образование снегозаносов и т. п.

Аэродинамика высотных зданий имеет свою специфику, т. к. для них влияние наружных климатических воздействий и величины градиентов перемещения потоков массы и энергии внутри здания являются по своей значимости экстремальными.

Изменение по высоте температуры, скорости ветра и барометрического давления

Известно, что в холодный и теплый период года температура наружного воздуха понижается примерно на 1 °С через каждые 150 м высоты, атмосферное давление понижается примерно на 1 гПа через каждые 8 м высоты, а скорость ветра увеличивается .

Изменение по высоте температуры и атмосферного давления описываются следующими формулами :

th = t0 – 0,0065xh, (1)

ph = p0 (1 – 2,25577x10–5 x h)5,2559, (2)

где th, ph – соответственно температура, °С, и давление, Па, на высоте h, м;

t0, p0 – соответственно температура, °С, и давление, Па, у поверхности земли;

В табл. 1 приведены значения температуры наружного воздуха и наружного барометрического давления, рассчитанные по формулам (1) и (2). В табл. 1 значения температуры и барометрического давления у поверхности земли приняты равными расчетным значениям, приведенным для г. Москвы в СНиП 2.04.05 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» (для холодного периода: параметр А – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = –15 °С, а параметр Б – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = –26 °С; для теплого периода: параметр А – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = 22,3 °С, параметр Б – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = 28,5 °С; барометрическое давление p0 = 990 гПа).

Для оценки изменения скорости ветра по высоте используются различные модели – спираль Экмана, логарифмический закон, степенной закон . Эти модели позволяют оценить скорость ветра v на высоте h, если известна скорость ветра v0 на высоте h0. Например, степенной закон изменения скорости ветра по высоте имеет вид :

vh = v0 (h/h0)a, (3)

где vh – скорость ветра, м/с, на высоте h, м;

v0 – скорость ветра, м/с, измеренная на высоте h0, м (как правило, скорости ветра измеряются на высоте 10–15 м, и в этом случае h0 = 10-15 м);

a – показатель степени, зависящий от типа местности и устанавливаемый экспериментально; в рекомендуется для центров крупных городов принимать a = 0,33.

В табл. 2 приведены значения скорости ветра в условиях городского центра, рассчитанные по формуле (3). Значения скорости ветра на высоте 10 м приняты равными расчетным значениям, приведенным для г. Москвы в СНиП 2.04.05 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» (для холодного периода года: параметр А – v0 = 4,7 м/с, параметр Б – v0 = 4 м/с; для теплого периода года: параметры А и Б – v0 = 1 м/с).

Вместе с тем часто известна скорость ветра, измеренная на метеорологической станции, которая располагается, как правило, на открытой местности. В условиях плотной городской застройки скорость ветра на той же высоте будет ниже. Скорость ветра v на высоте h в зависимости от типа местности в модели степенного закона рассчитывается по формуле :

где vh – скорость ветра, м/с, на высоте h, м, на местности, тип которой характеризуется показателем степени a и толщиной пограничного слоя d;

v0 – скорость ветра, м/с, измеренная на высоте h0, м, на местности, тип которой характеризуется показателем степени a0 и толщиной пограничного слоя d0;

a – показатель степени, зависящий от типа местности и устанавливаемый экспериментально;

d – толщина пограничного слоя, м, для рассматриваемого типа местности; в работе рекомендуется следующие значения a и d:

Ј для центров крупных городов a = 0,33, d = 460 м;

Ј для условий пригорода (в данном случае под пригородом понимается местность, в которой в радиусе 2 000 м расположена малоэтажная застройка или лесопарковые массивы) a = 0,22, d = 370 м;

Ј для открытой местности a = 0,14, d = 270 м.

a0, d0 – показатель степени и толщина пограничного слоя для местности, на которой зафиксирована скорость ветра v0; как правило, скорости ветра измеряются на метеорологических станциях, расположенных на открытой местности на высоте 10–15 м, и в этом случае h0 = 10-15 м, a0 = 0,14, d0 = 270 м.

Под пограничным слоем понимается приземной слой атмосферы, в котором поверхность земли оказывает тормозящее воздействие на движущую массу воздуха. Возрастание скорости ветра происходит в пределах пограничного слоя, выше пограничного слоя (в свободной атмосфере) скорость ветра постоянна (градиентная скорость). Толщина пограничного слоя в общем случае зависит от состояния атмосферы, типа местности, широты местности и силы ветра; в рассмотренной выше методике принимается инженерное допущение – толщина пограничного слоя зависит только от типа местности, т. е. dявляется функцией только аргумента a.

По формуле (4) были выполнены расчеты ожидаемых скоростей ветра для трех типов местности – открытого пространства, пригорода и центра крупного города с плотной застройкой. Значения скоростей ветра для открытой местности, зафиксированных на высоте 10 м (h0 = 10 м a0 = 0,14, d0 = 270 м), были приняты равными v0 = 1 м/с, 5 м/с и 10 м/с. Результаты расчетов представлены в табл. 3 и на рис. 1.

Высокие значения скорости ветра на больших высотах, как правило, изменяют угол падения дождевых капель, так что увеличивается количество дождя, падающего на вертикальные поверхности здания. Это может явиться причиной переувлажнения вертикальных ограждающих конструкций. Исследования зависимости угла падения атмосферных осадков различной интенсивности от скорости ветра были проведены и изложены в .

Рисунок 1. Изменение скорости ветра по высоте в зависимости от типа местности

Конвективные воздушные потоки у наружной поверхности здания

В теплый период года в солнечные дни из-за облученности наружных поверхностей здания солнечной радиацией их температура резко возрастает и значительно отличается от температуры окружающего воздуха. В результате разности температур образуется конвективный тепловой поток, направленный вверх здания, и имеет место так называемый приповерхностный (пограничный) слой нагретого воздуха. Разность температур наружной поверхности здания и окружающего воздуха зависит от величины солнечной радиации и коэффициента поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающих конструкций здания.

Проведенные нами расчеты показали, что в условиях г. Москвы при безоблачном небе в июле ожидаемые максимальные температуры наружной поверхности ограждающих конструкций различной ориентации достигают значений, приведенных в табл. 4.

Большое значение для проектирования воздухозаборных устройств и определения воздухопроницаемости ограждающих конструкций имеют значения скорости воздушных потоков у наружной поверхности зданий, обусловленные указанной выше разностью температур (рис. 2). На графиках (рис. 3) приведены зависимости скоростей воздуха у наружных поверхностей здания, полученные зарубежными исследователями .

Таблица 2 Ожидаемые максимальные температуры наружной поверхности ограждающих конструкций различной ориентации в г. Москве в июле

Ориентация ограждающей конструкции Ожидаемая максимальная температура наружной поверхности ограждающей конструкции, °С Восток, запад Покрытие

Ветровое давление, аэродинамические коэффициенты

При изучении аэродинамики зданий в под высотным понимается такое здание, высота которого превышает ширину подветренного фасада в три и более раз. На рис. 4 приведены данные о распределении аэродинамических коэффициентов на фасаде квадратного в плане высотного здания при различных направлениях ветра .

Рассмотрение значений аэродинамических коэффициентов на фасаде квадратного в плане высотного здания при различных направлениях ветра показывает, что, если направление ветра перпендикулярно фасаду здания (рис. 4а), аэродинамические коэффициенты на этом фасаде положительны и их значения уменьшаются по направлению к боковым фасадам здания и по направлению к верхней части рассматриваемого фасада. На увеличение значения аэродинамических коэффициентов у верхней части фасада высотного здания также влияет повышение скорости ветра с увеличением высоты. Если направление ветра отклоняется от нормали к фасаду, область максимального давления смещается к наветренному углу здания (рис. 4б-в). При отклонении направления ветра от нормали на угол 45° давления становятся отрицательными у дальнего (по отношению к направлению ветра) угла фасада (рис. 4г). Если угол отклонения направления ветра от нормали лежит в пределах 60–75°, давления отрицательны по всему фасаду (рис. 4д-е). Максимальные отрицательные давления наблюдаются в областях, расположенных на боковых (по отношению к направлению ветра) фасадах у наветренных углов (рис. 4ж), причем на боковых фасадах распределение давлений существенно меняется в зависимости от относительных размеров данных фасадов (отношения высоты и ширины). Для заветренных фасадов (направление ветра составляет с нормалью угол больше 100°) значения давлений в различных областях меняются не столь существенно (рис. 4з-н).

Таким образом, если фасад расположен под углом от 0 до 60° относительно направления ветра, то среднее давление на фасаде положительно; если этот угол составляет 60–180°, то среднее давление – отрицательно. На рис. 5 приведены графики изменения средних значений аэродинамических коэффициентов на фасаде прямоугольного в плане высотного здания при различных соотношениях боковых сторон в зависимости от направления ветра .

Графики изменения средних значений аэродинамических коэффициентов на покрытии прямоугольного в плане высотного здания (в случае, если покрытие плоское или его уклон достаточно мал) при различных соотношениях боковых сторон в зависимости от направления ветра приведены на рис. 6. Следует отметить, что, если направление ветра составляет с фасадом здания угол порядка 45°, у наветренных кромок покрытия возникают сильные завихрения (рис. 7). Высокие скорости воздушного потока в этих завихрениях обуславливают достаточно сильное разрежение (отрицательное давление) у краев покрытия, что, например, в случае сильных ветров может быть опасно для инженерного оборудования, расположенного в этой зоне.

Если форма здания отличается от прямоугольной, характер распределения аэродинамических коэффициентов на его фасадах может существенно отличаться от приведенных выше. Возможны два метода исследования аэродинамики здания: метод физического моделирования и метод математического моделирования. Физическое моделирование здания осуществляется в аэродинамической трубе. Обычно это моделирование выполняется с учетом существующей застройки. Теория физического моделирования разработана в значительной степени благодаря работам отечественных ученых – , -Эренфест, и ряда других специалистов. Более широкий список источников содержится, например, в книге . Математическое моделирование - менее надежный способ исследования аэродинамики здания с учетом застройки в связи с тем, что одновременно существуют ламинарные, турбулентные, вихревые и т. п. зоны движения, для каждой из которых необходимо иметь значения коэффициентов, характеризующих движение в этих зонах, связь между ними и характер застройки. С появлением мощной, легко доступной компьютерной техники для специалистов по математическому моделированию аэродинамики появилась возможность существенно повысить надежность расчетов.

В качестве примера приведены результаты математического моделирования аэродинамики высотного здания «MAIN TOWER», расположенного во Франкфурте-на-Майне, Германия . Это здание достаточно сложной формы в плане представляет собой две башни – квадратную и круглую; его высота составляет 200 м.

Преобладающими для Франкфурта-на-Майне являются ветры юго-западного и северо-восточного направлений. На рис. 8 и 9 показано распределение аэродинамических коэффициентов по периметру здания при воздействии юго-западного ветра. При воздействии на здание ветра северо-восточного направления характер распределения аэродинамических коэффициентов по периметру здания существенно меняется (рис. 10 и 11). В этом случае только на одном из фасадов (восточной ориентации) квадратной в плане башни здания «MAIN TOWER» аэродинамические коэффициенты положительны; на остальных фасадах они отрицательны.

Значения аэродинамических коэффициентов, полученные методами математического моделирования, в дальнейшем были проверены при исследовании модели здания в аэродинамической трубе (экспериментальные значения отмечены на рис. 9 и 11 точками). Сравнение результатов, полученных методом математического моделирования и методом физического моделирования, показало их достаточно хорошую сопоставимость.

Как было отмечено выше, режим обтекания здания воздушным потоком, помимо формы самого здания, существенно зависит от расположенных рядом других зданий и сооружений, особенностей рельефа местности и т. д. Это влияние особенно заметно, если окружающие объекты расположены на расстоянии, менее чем в пять раз превышающем высоту здания. В частности в городских условиях, сложившихся во Франкфурте-на-Майне, высотные здания, расположенные рядом в большом числе, оказывают друг на друга значительное влияние. Это взаимное влияние очень сложно рассчитать, и основным инструментом исследования становятся испытания в аэродинамической трубе.

В результате при исследовании аэродинамики здания «MAIN TOWER» учитывалось взаимное влияние зданий, расположенных вдоль улицы Neuen Mainzer Strabe. Это высотные здания «Bu..rohaus an der alten Oper» (89 м), «Eurotheum» (110 м), «Garden Towers» (127 м), «Commerzbank» (259 м), «Taunustor Japan-Center» (115 м), а также прилегающая малоэтажная застройка (рис. 12).

Для исследований в аэродинамической трубе использовались модели в масштабе от 1:300 до 1:100. Масштаб определялся размерами исследуемой городской зоны (среды застройки) и возможностями аэродинамической трубы. В ходе испытаний модели располагались на поворотном столе, что позволило изучить характер распределения воздушных потоков при изменении направления ветра (рис. 13).

Для качественной оценки распределения воздушных потоков вблизи поверхности зданий и на уровне улиц, прилегающих к зданию, применялась визуализация воздушных потоков посредством дыма. На основе полученных в ходе экспериментов в аэродинамической трубе результатов были построены схемы воздушных потоков у здания «MAIN TOWER» и в прилегающей городской застройке при различных направлениях ветра. Схема воздушных потоков при юго-западном ветре представлена на рисунке 14. Можно отметить, что при этих условиях между зданиями наблюдается ускорение воздушного потока, что приводит к понижению давления в этой зоне.

Для количественной оценки аэродинамических коэффициентов на модели здания были размещены датчики давления. На рис. 15 показано распределение аэродинамических коэффициентов на отметке 93 м с учетом влияния соседних зданий при юго-западном ветре. Сравнение рис. 8 и 15 показывает, что из-за влияния соседних зданий характер распределения аэродинамических коэффициентов отличается от случая, когда рассматривалась модель только здания «MAIN TOWER».

Для изучения воздушных потоков в зонах, прилегающих к зданию, датчики были размещены на модели на уровне улицы (отметка 1,8 м) и у покрытий окружающих зданий. На рис. 16 представлены скорости воздушных потоков, зафиксированных датчиками, по отношению к средней скорости господствующего ветра 3,3 м/с. Скорости воздушных потоков фиксировались при различных направлениях ветра. Исследования показали, что на уровне улицы скорости воздушных потоков уменьшаются: их численные значения составляют приблизительно 2,0–2,6 м/с. Между соседними зданиями скорости воздушных потоков возрастают, однако при низких скоростях набегающего потока (слабых ветрах) возрастание скорости воздушных потоков между соседними зданиями относительно невелико. Если средняя скорость господствующего ветра составляет 3,3 м/с, скорость воздушного потока между зданиями возрастает примерно до 4,0–4,6 м/с.

Литература

1. Серебровский жилой застройки. М., 1971.

2. ASHRAE Handbook. Fundamentals. SI Edition. 1997.

3. , Стриженов зданий. М., 1968.

4. Реттер -строительная аэродинамика. М., 1984.

5. Реттер характеристика промышленных зданий. Челябинск, 1959.

6. Круглова и ограждающие конструкции. М., 1964.

7. Daniels K. The Technology of Ecological Building. Birkhauser, 1997.

8. Тарабанов проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха высотных зданий // АВОК. 2004. № 6.

9. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения. М., 1984.

10. , Шилкин здания. М.: АВОК-ПРЕСС, 2003.

11. Battle McCarthy Consulting Engineers. 1999. Wind Towers – Detail in Building Academy Editions. New York: John Wiley & Sons Ltd.

Воздействие ветра на высотное здание определяется рельефом местности, наличием зданий и сооружений, а также объемно-пространственной структурой самого здания. При расчете учитываются такие характеристики, как скорость, направление и характер ветра, причем средняя скорость ветра, как правило, возрастает с высотой.

За рубежом основным инструментом определения распространения ветрового давления на высотное здание и влияние возведенного здания на окружающую застройку является специальная аэродинамическая труба. В аэродинамической трубе, в зависимости от поставленных задач, проверяются модели различного масштаба, например, М 1:1250, М 1:1500 или М 1:500, определяются параметры давления на здание, влияние на окружающую среду, шум от ветра и другие показатели. Результаты, полученные при испытании в аэродинамической трубе, переносятся на реальный объект с различными коэффициентами точности.

Имеющиеся аэродинамические трубы в России (в МГУ, Бауманском университете) позволяют продувать модели в малом масштабе, что само по себе сокращает достоверность этого эксперимента. Аэродинамические трубы в ЦАГИ, напротив, позволяют продувать модели в большом масштабе: 1:50, 1:75 (ОАО «ЦНИИЭП жилища» продувал модель высотного здания на ул. Маршала Жукова в ЦАГИ в масштабе 1:75). Более того, во многих трубах в ЦАГИ можно продувать фрагменты фасадов наружных стен зданий и фрагменты квартир в натуральную величину.

Но все эти трубы пока не позволяют создавать поток воздуха, соответствующий пограничному слою. При воздействии ветра на здание, помимо прямого ветрового потока, возникают потоки повышенной скорости - турбулентные потоки и завихрение воздуха. Вихри с высокой скоростью вызывают круговые восходящие потоки и всасывающие струи вблизи здания, из-за чего появляются небольшие ощущаемые колебания здания. Кроме колебаний при завихрении возникают неприятные звуки от перекоса конструкций шахт лифтов, от проникания таких потоков через щели в окнах, а также "завывание" вокруг здания. Такие колебания отрицательно воспринимаются людьми и поэтому должны учитываться при проектировании высотных зданий.

Не зря трубы в Аахене, трубы фирм «Wacker Ingenieure» и «Niemann & Partner» называются аэродинамическими и аэроакустическими трубами пограничного слоя. От исследований в аэродинамических трубах надо получить не только нагрузки от ветра по нормируемой в России ветровой эпюре, но и «панельные» — пульсационные нагрузки, моделирующие городское пространство и конкретные здания, окружающие продуваемую модель.

Интенсивные ветровые воздействия определяют выбор общей формы здания. Наиболее часто применяется башенный тип, с повышенной устойчивостью в обоих направлениях благодаря развитому поперечному сечению и обтекаемой объемной форме, способствующей уменьшению аэродинамического коэффициента при определении расчетных усилий от ветровых воздействий. Наряду с этим сохраняется применение четких призматических форм. Ветровые воздействия, сопровождающиеся ускорениями колебаний сооружений при динамических порывах ветра, могут вызвать нарушения нормальных условий эксплуатации в помещениях верхних этажей высотных зданий.

При этом могут возникнуть как нарушения стабильности обстановки, так и неприятные физиологические ощущения у людей, живущих или работающих в здании. Во избежание таких дискомфортных условий выявлены и количественно оценены границы комфортности и стадии дискомфортного пребывания в помещении в зависимости от величины ускорения колебаний перекрытий под воздействием пульсационной составляющей ветровой нагрузки в % от ускорения силы тяжести.

В соответствии с характеристиками в МГСН 4.19-2005 регламентирована практически неощутимая величина ускорения колебаний - 0,08 м/с2. Специфичным для проектирования конструкций высотных зданий является ограничение прогиба верха здания (с учетом крена фундаментов) в зависимости от его высоты. При таких ограничениях не возникает нарушений в работе лифтов и заметных перекосов в ограждающих конструкциях. Основополагающими при разработке конструктивного решения высотного здания являются выбор конструктивной системы и материала несущих конструкций, наряду с решением отдельных конструктивных элементов, обеспечивающих, комплексную безопасность эксплуатации высотных зданий.