CC BY
31
ТЕПЛОСНАБЖЕНИЕ, ВЕНТИЛЯЦИЯ, КОНДИЦИОНИРОВАНИЕ ВОЗДУХА, ГАЗОСНАБЖЕНИЕ И ОСВЕЩЕНИЕ
УДК 693.5:536.24+532.51
КОШИН АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧ, соискатель, [email protected]
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
АНАЛИЗ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА
НА ТАНДЕМ МОДЕЛЕЙ ВЫСОТНЫХ ЗДАНИЙ*
В статье представлены основные предпосылки к исследованию аэродинамического воздействия на высотные здания и сооружения. Дано описание экспериментальной установки и моделей, методики проведения экспериментов. Приведены результаты комплексных экспериментальных исследований динамических характеристик воздушного потока вблизи пары моделей высотных зданий при их расположении в тандеме (одно за другим). Дан краткий анализ изменения рассматриваемых параметров, выполнено сравнение полученных данных с другими экспериментами. Предложены перспективы дальнейшей работы.
Ключевые слова: аэродинамика; теплоотдача; поля статического давления; коэффициент давления; модели высотных зданий.
ANTON A. KOSHIN, PhD Degree-Seeking Student, e-mail: [email protected]
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
ANALYSIS OF AIRFLOW DYNAMIC IMPACT ON TANDEM-ARRANGED HIGH-RISE BUILDING MODELS
The paper presents the main prerequisites for the study of aerodynamic effect on high-rise buildings. A description of the experimental unit and models, methods of conducting experiments is shown herein. Results of complex experimental studies of the airflow dynamic characteristics near the models of two high-rise buildings are presented at their. The parameter and comparative analyses were carried out for the data obtained. The work on future experiments is offered in this paper.
* Исследования проводятся при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 09-08-00523-а).
© А. А. Кошин, 2014
Keywords: aerodynamics; heat transfer; static pressure field; pressure coefficient;
high-rise building model.
Аэродинамика зданий и сооружений детально исследовалась многими специалистами, но в силу сложности структуры трехмерных отрывных потоков данная проблема остается недостаточно изученной. Актуальность темы связана с интенсивным строительством высотных сооружений, для которых ветровые нагрузки являются одним из определяющих факторов в процессе эксплуатации. Методы расчета турбулентных пространственных течений, активно развивающихся в последнее десятилетие, имеют ряд принципиальных недостатков. К ним можно отнести отсутствие единой универсальной модели турбулентности, необходимость тщательного тестирования и др. Большое значение приобретает разработка простых методов исследования полей ветрового давления, которые, одновременно с данными визуализации, дают детальное и наглядное представление о структуре трехмерных потоков, позволяют определить зоны повышенной и пониженной ветровой нагрузки и совершенствовать методики расчета несущих и ограждающих конструкций.
Экспериментальная модель представляла собой тандем из двух одинаковых по высоте и поперечному сечению призм. Подобная конфигурация в современном строительстве высотных домов достаточно распространена. Ее применение возможно к отдельным частям сооружений, например колоннам, расположенным на незначительном удалении друг от друга.
Измерение полей статического давления и исследование структуры движения воздушного потока производились в специальном аэродинамическом стенде, состоящем из следующих узлов: аэродинамической трубы; дифференциального многоканального микроманометра, созданного для регистрации изменения коэффициента по образующей модели, исследуемых моделей.
Аэродинамическая труба описываемого стенда имеет разомкнутую схему движения воздуха (рис. 1). Диапазон скоростей в рабочей камере составляет 1-15 м/с с интенсивностью турбулентного потока Ти « 0,5 %.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки для измерения полей статического давления:
1 - аэродинамическая труба; 2 - испытываемая модель; 3 - трубка Пито - Пранд-тля; 4 - микроманометр ММН-2400; 5 - дифференциальный многоканальный микроманометр МММН
Поперечное сечение входного сопла имеет форму прямоугольника. Размер входного сечения 1040x440 мм2. Выходного - 300x300 мм2. Длина сопла
1000 мм. Внутренняя образующая выполнена по лемнискате. Рабочая камера представляет собой канал длиной 1050 мм и сечением 400x400 мм2.
Для изменения перепада давления был изготовлен дифференциальный многоканальный микроманометр с ценой деления 1 мм вод. ст.
Показания с многоканального микроманометра снимались с помощью цифрового фотоаппарата и далее оцифровывались по специальной программе Get Data Graph Digitizer.
В качестве опорного было взято статическое давление в канале для невозмущенного течения.
Для исследования давления от набегающего потока воздуха были собраны три измерительные и четыре вспомогательные модели. К измерительным относятся две модели-призмы высотой 300 и 150 мм и модель-основание. К вспомогательным - две призмы-препятствия высотой 300 и две 150 мм. Модели поочередно устанавливались таким образом, чтобы образовать тандем, в котором обе призмы имеют одинаковую высоту.
Абсолютный размер модели-призмы определялся исходя из следующих соображений: увеличение размеров модели благоприятно с точки зрения точности измерения коэффициентов давления, а также увеличения числа Рей-нольдса модели при фиксированной скорости обтекания. В то же время размеры сечения рабочей камеры 400x400 мм2 аэродинамического стенда ограничивают размеры модели за счет возможного поджатия потока в месте установки модели, что, соответственно, может привести к искажению аэродинамической картины потенциального обтекания призмы в трубе.
При размере призмы 50x50x150 мм и нулевом угле атаки ф = 0° увеличение скорости за счет поджатия потока составляет «4 %, а при наиболее неблагоприятных условиях (ф = 45°) ускорение потока возрастает до «6,5 %. При размере призмы 50x50x300 мм и нулевом угле атаки ф = 0° увеличение скорости за счет поджатия потока составляет «9,4 %, а при наиболее неблагоприятных условиях (ф = 45°) ускорение потока возрастает до «13,1 %. Эта величина является достаточно ощутимой, поэтому увеличение размеров модели до 300 мм и более является нежелательным.
Первая модель-призма выполнена из органического стекла толщиной 5 мм, высотой 300 мм, на одной из боковых граней которой расположены 42 отверстия диаметром 0,8 мм для отбора динамического давления в потоке воздуха. Призма установлена на восьмигранную подложку из того же материала (рис. 2).
I L I Ч\1Ч1
Рис. 2. Модель-призма высотой 300 мм. Шаг отверстий по вертикали - 10 мм, по горизонтали - 7,5 мм
Вторая модель-призма имеет высоту 150 мм и 21 отверстие на одной из боковых граней (рис. 3).
Рис. 3. Модель-призма высотой 150 мм. Шаг отверстий по вертикали - 10 мм, по горизонтали - 7,5 мм
Модель-основание предназначена для изучения пограничного слоя воздушного потока в рабочей камере и представляет собой плоскость из органического стекла толщиной 5 мм, в котором просверлены 30 отверстий диаметром 0,8 мм для отбора динамического давления (рис. 4).
Л
i-i
.•:: ¡.I . lib LD.m.m
НлММГИН
Рис. 4. Модель-пластина для исследования пограничного слоя воздушного потока нижней стенки канала
Вспомогательные модели выполнены по тем же геометрическим параметрам, что и модели-призмы (две модели высотой 300 мм и две - 150 мм). Их основное назначение - создание турбулентного течения в потоке воздуха перед измерительной моделью.
Таким образом, при работе с измерительной моделью высотой 300 или 150 мм используется одна вспомогательная модель высотой 300 или 150 мм соответственно.
При работе с моделью-основанием используются две вспомогательные модели одинаковой высоты.
Расчет коэффициента давления выполнялся по формуле
C, = ,p p° , (1)
2(р • и2)
где p - статическое давление в i-й точке поверхности, Па; p0 - опорное давление (статическое давление, измеренное в центре канала, выше по потоку), Па; 1/2(pU02) - скоростной напор набегающего потока; р - плотность набегающего потока воздуха, кг/м3.
Для измерения скорости воздушного потока в трубе применялись трубка Пито - Прандтля и микроманометр ММН-2400.
Скорость воздушного потока определялась по формуле
(2)
где K - коэффициент, учитывающий угол наклона трубки микроманометра; АР - динамический напор, разность между полным и статическим давлением в потоке воздуха; р - плотность воздуха, кг/м3.
В результате проведенных экспериментов по измерению статического давления были рассчитаны коэффициенты давления Ср в каждой точке и построены графики по образующей тандема моделей высотных зданий высотой 150 и 300 мм (рис. 5, 6).
1
Ср
0,5
-0,5 -1 -1,5 -2
JJ A
1 B C D *E
J i f 4*
w G C1
+ F1 i'
А B C, C1 D E F, F1 G PD
1 А В Cr CI D F F, F1 G
Рис. 5. Распределение полей давления по граням квадратной призмы (вертикальные сечения) высотой 150 мм, а также в областях до и после призмы при угле атаки воздушного потока ф = 0° (Re = 4,64 • 104). Цена деления - 10 мм
С
р
Ср 1
0,5 0 -0,5 -1 -1,5 -2
фф II 1 1 РЬ
/ /
о -И] 0 «И н,' у УК' 1ЛО
А В С, С1 в Е Я, ¥1 О
А В С
в
Е ¥ О
Рис. 6. Распределение полей давления по граням квадратной призмы (вертикальные сечения) высотой 300 мм, а также в областях до и после призмы при угле атаки воздушного потока ф = 0° (Яе = 4,64 • 104). Цена деления - 10 мм
Отметим особенности поведения коэффициента давления Ср. Из рис. 5, 6 видно, что на плоской поверхности канала перед первой призмой давление возрастает от значения в потоке до его величины на лобовой стенке призмы. На боковой стенке под действием формирования подковообразного вихря образуется зона разрежения. То же происходит и на задней стенке модели в зоне восстановления потока. Эти данные согласуются с работами [1] и [2], подтверждающими их достоверность. Для одиночной модели размер зоны восстановления оценивается величиной в 5-6 калибров, но в данном случае в указанной зоне расположена вторая модель тандема, и на лобовой её стенке наблюдается отрицательное давление с повышением к верхней её части. На боковых гранях второй модели можно увидеть действие вторичного подковообразного вихря. Оно не так велико, как действие подковообразного вихря на грани первой модели, однако формирование зоны восстановления за второй моделью в тандеме происходит аналогично одиночной [3-5]. В целом же величина коэффициентов давления, как видно из графиков, от высоты модели не зависит. Влияние оказывает преимущественно относительная к высоте модели величина пограничного слоя, абсолютная величина которого в данных условиях не превышает 2,5-3 см.
Как и следовало ожидать, в кормовой зоне за счет мощного отрыва потока имеет место разрежение, величина Ср превышает скоростной напор.
В итоге разность давлений на наветренной и подветренной сторонах призмы равна примерно двум скоростным напорам. В то же время суммарное воздействие на вторую призму тандема значительно ниже и продолжает снижаться с уменьшением расстояния между моделями. Этот вывод является важным с точки зрения определения аэродинамических сил, действующих на строительную конструкцию.
Полученные данные моделируют динамическое воздействие воздушного потока на здания и сооружения высокой этажности в зависимости от температуры окружающей среды, скорости и угла атаки воздушного потока, а также местоположения здания.
Новизна результатов определяется постановкой задачи, а также широким диапазоном калибров, углов атаки и числом Рейнольдса. Они дополняют известные данные исследователей I.P. Castro, A.G. Robins, P.J. Richards, R.P Hoxey, B.D. Connell, D.P. Lander и др. по описанию динамики воздушного потока при вариации углов атаки и скорости набегающего воздушного потока.
Данная работа является одной из составляющих комплексных экспериментальных исследований аэродинамики и теплообмена моделей высотных зданий и сооружений.
БИБЛИОГPAФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Castro, I.P. The flow around a surface-mounted cube in uniform and turbulent streams / I.P. Castro, A.G. Robins // J. Fluid Mech. - 1977. - V. 79. - Part 2. - P. 307-33S.
2. Wind-tunnel modeling of the Silsoe Cube / P.J. Richards, R.P Hoxey, B.D. Connell, D.P. Lander // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. - 2007. № 9S. -Р.1384-1399
3. Комплексные экспериментальные исследования аэродинамики и теплообмена моделей зданий и сооружений. Отчет о выполнении проекта РФФИ № 09-08-00523-а / A.K Гны-ря, С.В. Коробков, A.A. Кошин, Д.И. Мокшин, В.И. Терехов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2011. - № 4. - С. 113-12б.
4. Поле давлений при отрыве потока за прямоугольной призмой в пограничном слое. Влияние высоты преграды и угла атаки / A.K Гныря, С.В. Коробков, A.A. Кошин, Д.И. Мокшин, В.И. Терехов // XXIII Всероссийский семинар с международным участим по струйным, отрывным и нестационарным течениям. - Россия, Томск, 2б-29 июня 2012 г. - Изд-во ТПУ, 2012. - С. 100-102.
5. Исследование динамического воздействия воздушного потока на тандем моделей высотных зданий / A.K Гныря, С.В. Коробков, A.A. Кошин, Д.И. Мокшин // Перспективы развития фундаментальных наук : труды X Международной конференции студентов и молодых ученых. - Россия, Томск, 23-2б апреля 2013 г. - Изд-во ТПУ, 2013. -С. б59-бб0. - Условия доступа: http://science-persp.tpu.ru
References
1. Castro I.P., Robins A.G. The flow around a surface-mounted cube in uniform and turbulent streams. J. Fluid Mech. (1977). V. 79. Part 2. Pp. 307-335.
2. Richards P.J., Hoxey R.P, Connell B.D., Lander D.P. Wind-tunnel modeling of the Silsoe Cube. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics (2007). No. 95. Pp. 1384-1399.
3. Gnyria A.I., Korobkov S.V., Koshin A.A., Mokshin D.I., Terehov V.I. Kompleksnye eksperi-mental'nye issledovaniya aerodinamiki i teploobmena modelei zdanii i sooruzhenii. Otchet o
vypolnenii proekta RFFI № 09-08-00523-a [Experimental studies of aerodynamic and heat exchange of building models]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2011. No. 4. Pp. 113-126. (rus)
4. Gnyria A.I., Korobkov S.V., Koshin A.A., Mokshin D.I., Terehov V.I. Pole davlenii pri otryve potoka za pryamougol'noi prizmoi v pogranichnom sloe. Vliyanie vysoty pregrady i ugla ataki [Pressure field in the separation of the flow behind a rectangular prism in the boundary layer. Effect of the barriers height and angle of attack]. Proc. All-Russian 23rd Seminar jet, separated, and non-stationary flows]. TPU Publishing House, 2012. Pp. 100-102. (rus)
5. Gnyria A.I., Korobkov S.V., Koshin A.A., Mokshin D.I. Issledovanie dinamicheskogo vozde-istviya vozdushnogo potoka na tandem modelei vysotnykh zdanii [Investigation of airflow dynamic effect on tandem-arranged models of high-rise buildings]. Proc. 10th Int. Sci. Conf. of Students and Young Scientists 'Prospects of Fundamental Sciences Development'. TPU Publishing House, 2013. Pp. 659-660. Available at : http://science-persp.tpu.ru
