приближения к зданию. Максимальное превышение над статиче-
ским давлением невозмущенного потока ветра статическое давление
циркуляционной зоны достигает на поверхности наветренного фаса-
да. В зоне аэродинамического следа на наветренной стороне здания
статическое давление выше, чем в невозмущенном потоке. Часть воздуха наветренной зоны в виде вихрей уходит на заветренную
сторону здания (рис. 14.1а). На заветренной стороне здания образу-
ется несколько вихрей (рис. 14.16 ), создающих заветренную цирку-
ляционную зону. Зона АС как бы дополняет форму здания до удобо-
обтекаемой и тем самым уменьшает потери энергии в потоке ветра,
обтекающего здание с боков и сверху.
а)
Рис. 14.1. Схема обтекания здания потоком воздуха
а - вертикальный разрез, б ~ схема движения воздуха в зоне
аэродинамического следа 1 - граница между вихрями в зоне аэродинамического следа, участок с нуле-
вой скоростью движения воздуха; 2- зона избыточного давления, 3- здание;
4 - зона разрежения и вихревого движения воздуха; 5 - обратные потоки воз-
духа, входящие в зону аэродинамического следа; 6 - граница зоны аэроди- намического следа; 7- граница влияния здания на поток воздуха; 8 - вихре-
образные потоки воздуха из зоны избыточного давления в зону разрежения
431
Электронная библиотека Ъ.'Ь'Ьр://:1 дV.кЬзби.ги
К заветренной циркуляционной зоне воздух поступает как По-
верх крыши, так и с боков. На заветренной стороне здания стати-
ческое давление в циркуляционной зоне меньше, чем в невозмущен
ном потоке ветра. Характерная особенность циркуляции в зоне Ар - наличие приземного потока воздуха, направленного к зданию в
заветренной зоне, и навстречу ветру - в наветренной. В заветрен-
ной части зоны этот поток приносит к воздухозаборным устройст-
вам и к приточным аэрационным проемам вредности, поступившие
в зону АС.
Особенности циркуляции воздуха вблизи здания делают целесо-
образным устройство воздухозаборных устройств на боковых фа-
садах и фронтальных в местах, примыкающих к торцам здания
вблизи углов. Это решение справедливо еще и потому, что направле-
ние ветра изменчиво: наветренная сторона может стать заветренной,
ветер может набегать на одну из боковых сторон, и т.д. Учитывая
слабую проветриваемость циркуляционных зон, выброс загрязнений
должен осуществляться за пределами зоны аэродинамического сле-
да, в противном случае, может произойти накопление вредных вы-
делений в приземном слое вблизи здания и концентрация их может
превысить допустимый уровень. Наиболее полно изучено обтекание
модели отдельно стоящего здания в устоявшемся воздушном потоке аэродинамической трубы, представленные на рис. 14.2.
На графике приведены предельные габариты зоны аэродинами-
ческого следа и иных параметров, отнесенных к высоте здания Н
(данные применимы для ЫН < 0,5). Расположение границы зоны аэродинамического следа в этой области указано ориентировочно.
Влияние этой границы на распространение вредностей в приземном
слое заметно лишь вблизи места срыва потока с наветренного фаса-
да. Испытания на гидролотке показывают, что ее протяженность со-
ставляет не четыре, как это следует из приведенного рисунка, а бо-
лее 10-ти высот здания.
Аэродинамические процессы обтекания здания в непосредст-
венной близости от поверхности ограждающих конструкций более
сложны, нежели это фиксирует график (рис. 14.2). На наветренной стороне здания в месте сопряжения плоской кровли с наружной сте-
ной, согласно рис. 14.3 формируется локальная зона разрежения. Эта
особенность обтекания используется для устройства аэрационных
проемов фонарей так называемого щелевого типа.
432
Электронная библиотека ЪА^р://:1 дV.кЬ.з:1 и.ги
Пример 14.1.
Исходные данные. Определить размеры зоны аэродинамического еле.
да для здания высотой Н = 25 м, длиной Ь = 100 м и шириной Ь = 12 м.
Решение 1. Относительная длина здания ЫН = 100/25 = 4.
2. Относительная высота зоны аэродинамического следа по графику на
рис. 14.2 к3 = 1,7, следовательно, высота зоны к3 = 1,7 -25 = = 42,5 м.
3. Относительная длина зоны аэродинамического следа 13 - 4,65, сле-
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
довательно, 13 - 4,65 |
• 25 = 116 м. |
|
размеры зоны: для ТУЯ = 4 |
Р |
|
|
|
4. Аналогично определяем другие |
25 |
м; |
или |
Р - 1,6 |
- |
25 |
= |
40 |
м; |
N =1 |
3 |
или N |
~ 1,3 |
- |
25 - 32,5 |
м; т |
= |
1,0, |
т ~ |
|
|
, |
|
|
|
|
|
М = 2,0, М = 50 м и т.д.
Представленная выше схема движения воздуха описывает лишь
принципиальную схему движения потоков воздуха вблизи здания. В
реальных условиях имеют место пульсирующие изменения направ- ления и силы ветра, что приводит изменению во времени габаритов зоны аэродинамического следа и циркуляции в ней воздуха. При
обтекании ветром группы зданий зоны аэродинамических следов влияют друг на друга, и аэродинамика обтекания усложняется.
§82. Определение величины давления ветра на ограждающие
конструкции, аэродинамический коэффициент здания
Избыточное статическое давление относительно статического
давления вне зоны АС на наветренном и заветренном фасадах зда- ния пропорционально динамическому давлению ветра. При расчете ветровой нагрузки на здание, а также при определении давлений в плоскости приточных и вытяжных аэрационных проемов применя-
ется аэродинамический коэффициент Каэр.
Аэродинамический коэффициент равен отношению избыточно-
го статического давления в одной из точек наружной поверхности
|
здания к динамическому давлению ветра. |
|
|
|
В соответствии с этим статическое давление в любой точке на- |
|
ружной поверхности здания равно: |
|
|
|
|
V 2 |
(14.1) |
|
Рст Рветра = Каэр |
2 Р - |
|
|
Аэродинамический коэффициент определяет (в долях единицы)
часть кинетической энергии потока ветра, преобразующуюся 6
статическое давление воздуха на поверхности ограждения здания
434
Электронная библиотека Ьббр://:1 дV.кЬ.з:1 и.ги
наветренной стороне здания это давление превышает статическое
давление в потоке ветра, поэтому величина аэродинамического коэф-
фициента положительна, на заветренной стороне имеет место разре-
шение и значение аэродинамического коэффициента отрицательно.
Известны способы аналитического расчета аэродинамических коэф- фициентов для зданий простейших форм, но, как правило, их опреде- ляют экспериментально в аэродинамических трубах на моделях зда-
ниЙ. Величина и знак аэродинамического коэффициента зависят от места расположения точки на поверхности здания, от формы здания и
направления воздушного потока. Для наиболее широко распростра-
ненной формы здания (параллелепипед), главный фасад которого расположен перпендикулярно направлению воздушного потока, аэро-
динамические коэффициенты в центре фасада имеет следующие зна-
чения: на фасаде с наветренной стороны Каэр.й= (+0,4)-з-(+0,8), на фа-
саде с заветренной стороны Каэрз= (-0,3)^-(-0,6). Ближе к краям фа-
сада величины аэродинамических коэффициентов уменьшаются.
Это связано с отклонением от первоначального направления потока
ветра, взаимодействующего с вихревой зоной на наветренной по-
верхности, вследствие чего ветер ближе к краям фасада набегает на
здание под углом, меньшим 90°.
На величину аэродинамического коэффициента некоторое влия-
ние оказывает открытие окон в здании и организация сквозного про- ветривания (аэрация под действием ветра). В практических расчетах
этим влиянием обычно пренебрегают, хотя оно и имеет место.
В реальных условиях скорость ветра возрастает с высотой, эпю-
ра скоростей ветра по высоте здания имеет криволинейный харак-
тер. В связи с этим имеет место неопределенность - к какой скоро-
сти относить аэродинамический коэффициент Каор. В данном случае необходимо следовать рекомендациями:
1) если соотношение высоты здания Ни протяженности фасада / меньше 1 (низкое протяженное здание), обтекание воздухом проис- ходит в основном над зданием, и в качестве расчетной принимается
средняя скорость ветра по высоте здания;
2) для высоких зданий при НИ >1 обтекание происходит с боков,
изменение скорости ветра с высотой должно учитываться и расчет-
ам является скорость ветра на уровне рассматриваемой точки п°верхности ограждения. На рис. 14.4 представлены результаты бо-
Лее детальных исследований распределения аэродинамических коэф-
фициентов на поверхности ограждений производственного здания.
435
Электронная библиотека Ьббр:/ / Ьдм.кЬзби.ги
а) |
|
|
А |
Сечение А-А |
|
|
|
|
|
а=0° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
с |
|
20 |
|
|
|
|
1011 121314 1516171819 |
|
|
|
|
|
|
а= 0° — А |
|
|
9 |
21 |
|
|
А 3 |
Ь |
|
22232425 ^1 27 |
|
|
2 |
|
|
28 |
|
|
1 |
|
|
|
29 |
а=45^ |
|
а |
|
Сечение А -А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
I90° |
|
1011121314 1516171819 |
20 |
|
|
|
Г |
9 |
21 |
|
Масштаб |
|
5 6 7 8 |
|
22232425 |
" |
0 0,4 0,6 |
2,0 |
|
|
|
29 |
! |
|
|
|
28 |
|
|
|
|
|
0,2 0,6 1,0 |
|
|
Сечение А-А |
|
|
|
|
|
|
а= 90° |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
10111213141516171819 |
та№б |
|
|
|
9 |
21 |
|
|
|
4 5 6 7 8 |
|
|
29 |
|
|
3; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
28 |
б)
а=0*"п123
О
а=90°
Рис. 14.4. Эпюры аэродинамических коэффициентов производственных зданий
а - эпюры аэродинамических коэффициентов промышленного здания с аэраци-
онно-световым фонарем и коньковой крышей; 6 - эпюры аэродинамических ко-
эффициентов промышленного здания со световыми фонарями типа Шед
436
Электронная библиотека Ъббр:/ /Ъдч.кЪзби.ги
§ 83. Подобие аэродинамических процессов,
автомодельность
Аэродинамические коэффициенты зданий определяются путем
продувки моделей в аэродинамической трубе. С целью обеспечения
достоверности получаемых результатов необходимо соблюдать:
1) подобие турбулентной структуры воздушного потока, созда-
ваемого в рабочем пространстве аэродинамической трубы, турбу-
лентной структуре реального ветра;
2) подобие процессов обтекания модели в трубе реальным про-
цессам обтекания здания потоком ветра в натуре;
3) геометрическое подобие модели и испытываемого здания.
Первое условие обеспечить достаточно сложно, так как турбу-
лентная структура реального потока ветра сложна и недостаточно
изучена. Наряду с присущей ветру обычной турбулентностью, могут
возникать и достигать поверхности земли крупные турбулентные
структуры, проявляющие себя как порывы ветра. Процессы их фор-
мирования и развития изучены недостаточно. Поэтому аэродинами-
ческие коэффициенты здания определяют экспериментально в усло-
виях установившегося процесса обтекания модели воздушным пото-
ком, имеющим постоянную скорость.
Второе условие обеспечивается применением при выборе па- раметров воздушного потока аэродинамической трубы теоремы Кирпичева-Гухмана: два явления подобны, если они описываются
одной и той же системой дифференциальных уравнений и имеют
подобные условия однозначности.
В условиях установившегося процесса обтекания здания опре-
деляющими критериями являются:
• критерий Рейнольдса
Яе = —VV/-’
где у - скорость воздушного потока в натуре и на модели, м/с; / -
определяющий размер, в качестве которого при плоских зданиях выбирается длина фасада, в случае высоких - высота здания или мо- дели, м; V - коэффициент кинематической вязкости, м2/с.
• критерий Эйлера
Еи = ру2 ,
437
Электронная библиотека Ы::1 р://:1 дV.к1т51:и.ги
сверхзвуковую скорость в 400 м/с, что качественно меняет картину
обтекания модели.
Исследования обтекания зданий традиционной формы и других
пЛохо обтекаемых тел показали, что явление срыва воздушных по-
токов с острых кромок и установление характера обтекания, харак-
терного для скоростей с большими числами Рейнольдса наблюдает-
ся при значениях Ке < 103 и в дальнейшем характер обтекания не
меняется. Практическое отсутствие функциональной зависимости искомой величины от критерия Рейнольдса называется автомо-
дельностью относительно этого критерия. Автомодельность про-
цессов обтекания относительно критерия Не наблюдается только в
случае моделей с острыми кромками. Автомодельность относитель-
но К.е позволила при определении аэродинамических коэффициен-
тов на моделях зданий соблюдать лишь геометрический (линейный)
масштаб и подбирать при моделировании любую скорость воздуш-
ного потока в аэродинамической трубе, удобную для проведения замеров.
В настоящее время получают распространение гражданские
здания нетрадиционной формы: цилиндрические, овальные и др. Их
форма приближается к обтекаемой, поэтому явление автомодельно-
сти может наступать при значительно больших значениях критерия
Рейнольдса, или не наступать вовсе. Это обстоятельство необходимо учитывать при проведении испытаний, уточняя специальными ис-
следованиями значения критерия Рейнольдса, при котором наступа-
ет состояние автомодельности. Возрастающая обтекаемость форм зданий может потребовать проведения испытания с моделями боль-
ших размеров в больших аэродинамических трубах.
Влияние степени турбулентности на значения Каэр обычно не
учитывается, так как замеры степени турбулентности в потоке воз-
духа и регулирование ее требуют сложного оборудования. Обычная
аэродинамическая труба на выходе имеет спрямляющую воздушный
поток решетку или сотовое заполнение, обеспечивающие плоскопа-
Раллельное течение воздуха. Известны случаи установки на входе в
рабочее пространство аэродинамической трубы специальных турбу-
аизаторов воздушного потока, но полностью вопрос обеспечения
соответствия турбулентной структуры воздушного потока, форми-
руемого в аэродинамической трубе, реальной структуре ветра не ре-
Ц]ен. Этим объясняется разница в результатах, полученных для оди-
Иаковых моделей, обдуваемых в разных аэродинамических трубах.
439
Электронная библиотека Ыз'Ьр:// Ьдм.к1д51:и.ги
§84. Аэродинамическая труба, гидравлический лоток,
построение эпюр аэродинамических коэффициентов
Аэродинамическая труба - установка для получения искуссщ
венного равномерного прямолинейного потока воздуха в рабочей части трубы, где устанавливается исследуемая модель.
Аэродинамическая труба представляет собой воздуховод с по-
будителем движения воздуха (осевой или радиальный вентилятор
компрессор и т.п.) и спрямляющим поток устройством. Различают
прямоточные и замкнутые аэродинамические трубы, а также трубы с
закрытой и открытой рабочей частью. На рис. 14.5 представлена
замкнутая аэродинамическая труба с открытой рабочей частью.
1
9
4
Рис 14.5. Схема аэродинамической трубы 1 - всасывающий патрубок аэродинамической трубы; 2 - модель здания,
3 - подставка под модель, имитирующая поверхность земли, 4 - выходной
патрубок аэродинамической трубы, 5- рабочая часть трубы, 6 -решетка у
выходного патрубка аэродинамической трубы; 7- поворотные лопатки, 8 -
вентилятор с изменяемым углом атаки лопаток, 9 - электродвигатель
Качественную картину процесса обтекания здания потоком воз- духа изучают на гидравлических лотках - плоских и объемных. Пло-
ский гидравлический лоток - это мелкий корытообразный канал, в
котором организуется равномерное прямолинейное движение водьь Модель здания размещают у вертикальной стенки, имитируюшеи поверхность земли. Картина обтекания здания потоком в гидравли- ческом лотке двухмерная (справедлива для бесконечно длинного
здания при нормальном к фасаду направлении потока). Для наблю-
дения за обтеканием используют индикаторы - алюминиевую пуДР>
или мелкие бумажные конфетти. Фотографируя процесс обтекания
440
Электронная библиотека Кббр://:1 дV.кКзби.ги
