13. Основы аэродинамики здания

Лекция 16. Цель лекции: охарактеризовать подобие процессов обтекания зданий потоками воздуха.

13.1 Основы аэродинамики здания а) Аэродинамические характеристики здания

Подобие аэродинамического обтекания показано на рисунке 13.1.

1 – пластина; 2 – элементарная струйка воздуха; 3 – вихревое движение воздуха в зоне аэродинамического следа; 4 граница аэродинамического следа; 5 – линии тока в зоне аэродинамического следа; А и Б – точки торможения (положение точек не фиксировано).

Рисунок 13.1.

Если пренебречь потерей энергии между сечениями 1-1 и 2-2, и сжимаемостью воздуха, то уравнение сохранения энергии представится уравнением Бернулли:

Р₁ + *w₁²/2 = Р₂ + *w₂²/2 . (13.1)

Тогда избыточное статическое давление в сечении 2-2 определится по выражению:

Р_ст=Р₂-Р₁=(1-w₂²/w₁²)*w²/2=К_аэр*w²/2. (13.2)

Аэродинамический коэффициент показывает отношение избыточного статического давления в одной из точек наружной поверхности здания к динамическому давлению ветра:

(13.3)

Энергетический смысл К_аэр заключается в том, что его значение показывает в долях, какая часть удельной кинетической энергии превращается в удельную потенциальную.

Если w₂ w₁, то К_аэр 0 – наветренный коэффициент.

Если w₂ w₁, то К_аэр 0 – заветренный коэффициент.

В точках А и Б – К_аэр=1.

Аэродинамические коэффициенты определяются экспериментально в аэродинамической трубе.

Задачами аэродинамики здания являются:

– определение ветровой нагрузки на здание;

– определение разности давлений снаружи и внутри здания;

– определение размеров застойной зоны (аэродинамического следа) и условий циркуляции воздуха в ней.

Характер потоков воздуха при обтекании здания показан на рисунке 13.2.

1 – здание; 2 – зона избыточного давления; 3 – зона разрежения; 4 – зона возникновения обратных потоков; 5 – граница зоны аэродинамического следа; 6 – граница зоны влияния здания на поток воздуха

Рисунок 13.2.

Эпюра скоростей ветра по высоте здания имеет криволинейный характер и, соответственно, эпюра давления – тоже. Величина аэродинамического коэффициента уточняется коэффициентом распределения давления по высоте здания:

– если соотношение высоты здания к протяженности фасада Н/L1, то обтекание происходит над зданием и принимают среднюю по высоте скорость ветра;

–для высоких зданий (Н/L1) считается, что обтекание происходит в горизонтальном направлении с боков здания. Давление определяется по локальному аэродинамическому коэффициенту и скорости в каждой точке здания.

Эти соотношения получены на основе теории подобия, т. к. при Re10³ наступает автомодельный режим течения воздуха и коэффициент К_аэр не зависит от Re, а зависит только от геометрического масштаба (Н/L).

Б) Распределение давления воздуха по высоте здания

Давление воздуха по высоте здания переменно и определяется уравнением

. (13.4)

Давление в любом сечении

где . (13.5)

Воздух проникает в здание снизу, а выходит вверху вследствие разности давлений внутри здания и снаружи.

Для расчетов естественного циркуляционного давления принимаются:

– способ нейтральной зоны;

– эффективность избыточных давлений;

а) снаружи здания аэростатическое давление определяется по вертикали от точки условного нуля до заданной высоты от этой точки (см. рисунок 13.3а);

б) внутри здания эпюра давления имеет вид трапеции, где Р_о – избыточное давление относительно условного нуля (внутреннее статическое давление) (см. рисунок 13.3б);

в) при вычитании эпюр получим расчетное давление при действии гравитационных сил.

П

ри скорости ветраW_в>0 учитывается ветровое давление.

а) б) в)

Рисунок 13.3