ЧИСЛЕННОЕ И ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВЫХ ПОТОКОВ НА БОЛЬШЕПРОЛЕТНОЕ ПОКРЫТИЕ Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И КОНСТРУИРОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ.СТРОИТЕЛЬНАЯ МЕХАНИКА. ОСНОВАНИЯ И ФУНДАМЕНТЫ, ПОДЗЕМНЫЕ СООРУЖЕНИЯ

НАУЧНАЯ СТАТЬЯ / RESEARCH PAPER УДК 624.042.41

DOI: 10.22227/1997-0935.2022.1.21-31

Численное и физическое моделирование ветровых потоков на большепролетное покрытие

Борис Борисович Лампси1, Сергей Сергеевич Шилов1'2, Павел Алексеевич Хазов1

1 Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ); г. Нижний Новгород, Россия; 2 Строй-Снаб; г. Нижний Новгород, Россия

АННОТАЦИЯ

Введение. Ветровая нагрузка способна оказывать существенное влияние на работу несущих конструкций целого ряда зданий и сооружений. При возведении большепролетных конструкций требования по второму предельному состоянию играют важную роль. Учет распределения ветровых воздействий по поверхности объекта в ряде случаев является трудной задачей. Цель исследования — определение распределения ветрового давления по покрытию большепролетного сооружения физическим и численным методами, а также сравнение и анализ полученных результатов. Материалы и методы. Осуществлены физические испытания макета покрытия сооружения в аэродинамической < и трубе. Макет изготавливался из полимерных материалов с применением технологии 3D-печати. Рассмотрен порядок J £ проведения натурных испытаний в аэродинамической трубе. Выполнено численное моделирование в различных

t о i н

ж

программно-вычислительных комплексах (ПВК), таких как ANSYS CFX, SOLIDWORKS. k S

Результаты. Приведены результаты физических испытаний в аэродинамической трубе, таблицы с полученными g _

значениями аэродинамических коэффициентов и ветрового давления, на основании которых построены цветовые О Г

изополя давлений. Показаны результаты итерационных расчетов численного моделирования в различных ПВК. Про- U о

анализированы распределения потоков ветра, так как объект исследования имеет характерную черту, а именно . •

открытое покрытие, что позволяет воздушному потоку влиять на конструкции покрытия снизу, создавая дополнитель- M 1

ные давления напора или отсоса. t со

Выводы. Выявлена благоприятная сходимость результатов физических испытаний и численного моделирования l 1

в ANSYS CFX, в других программных комплексах была получена неувязка с натурными исследованиями. При про- J 9

ектировании зданий и сооружений сложной геометрической формы следует проводить как физическое, так и чис- U —

^ 0 SL 3

о ^

ленное моделирование.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: аэродинамическая труба, физические испытания, численное моделирование, ветровое давление потока воздуха О

Благодарности. Данная работа выполнена при поддержке Научно-образовательного центра Нижегородской области «Техноплатформа 2035» в рамках соглашения № 16-11-2021/55 от 16.11.2021 г. С М

со

м со

ДЛЯ ЦИТИРОВАНИЯ: Лампси Б.Б., Шилов С.С., Хазов П.А. Численное и физическое моделирование ветровых потоков на большепролетное покрытие // Вестник МГСУ. 2022. Т. 17. Вып. 1. С. 21-31. DOI: 10.22227/1997- n 4 0935.2022.1.21-31 О®

Автор, ответственный за переписку: Сергей Сергеевич Шилов, [email protected]. i о

н

Numerical and physical modeling of wind loads § )

on long-span shell structures V о

п

Boris B. Lampsi1, Sergey S. Shilov1'2, Pavel A. Khazov1 ® .

1 Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU); . n

Nizhny Novgorod, Russian Federation;

2 Stroy-Snab; Nizhny Novgorod, Russian Federation £ с

_ v

ST п S У

с о <D *

ABSTRACT

10 10 О о 10 10

Introduction. Wind load has a significant impact on buildings and structures. It triggers the evolution of the stress-strain state that causes various kinds of deformations. Requirements, applicable to the serviceability limit state, are important for io io the construction of long-span structures. In some cases, the analysis of the distribution of wind effects over the surface of

© Б.Б. Лампси, С.С. Шилов, П.А. Хазов, 2022

Распространяется на основании Creative Commons Attribution Non-Commercial (CC BY-NC)

a construction facility may be a challenging task. The purpose of the study is to identify the pattern of the wind load distribution over the shell of a long-span structure using physical and numerical methods, compare and analyze the obtained results. Materials and methods. In the course of the study, a model of the shell structure was tested in the wind tunnel in the course of the physical testing. The model was made of polymer materials using the 3D printing technology. In addition, the article addresses the procedure for conducting full-scale tests in a wind tunnel. Numerical modeling was performed using various software and numerical software packages, such as Ansys CFX, SOLIDWORKS.

Results. The article presents the results of physical tests conducted in a wind tunnel, demonstrates the tables that have the values of aerodynamic coefficients and wind pressures, on the basis of which colour pressure isofields are made. Also, the article presents the results of iterative calculations of numerical models made using various software and numerical software packages. In addition, wind flow distributions were analyzed, since the object of the study has such a characteristic feature as an open-air shell, which allows the air flow to reach the structure from below.

Conclusions. The authors analyzed the data obtained as a result of the research; the convergence between the results of physical tests and numerical modeling in Ansys CFX was identified, a great discrepancy between numerical and physical studies was identified as a result of the application of other software packages. When designing buildings and structures, having intricate geometric shape, both physical and numerical modeling should be conducted.

KEYWORDS: wind tunnel, physical tests, numerical simulation, wind pressure, air flow

Acknowledgements: This work was supported by the Technoplatform 2035 Scientific and Educational Centre, the Nizhny Novgorod Region, under Agreement No. 16-11-2021/55 of November 16, 2021.

FOR CITATION: Lampsi B.B., Shilov S.S., Khazov P.A. Numerical and physical modeling of wind loads on long-span shell structures. Vestnik MGSU [Monthly Journal on Construction and Architecture]. 2022; 17(1):21-31. DOI: 10.22227/19970935.2022.1.21-31 (rus.).

Corresponding author: Sergey S. Shilov, [email protected].

N N N N О О N N

а ш и з

> (Я Е И Л

to I"«

I

н 5

<и ф Л 15

о!

-—-

о о

со CD

"О £= ГО

ся Е -

^ (Я

I о

CL ° —• £= Ю О

8 ! о Е

от ^

т-

Z £ Со °

Li 3 L_ И

Si is

О (Л Ш ф

to >

ВВЕДЕНИЕ

Аэродинамика — раздел механики, в котором изучаются законы движения воздуха и силы, возникающие на поверхности тел, относительно которых происходит его движение [1]. В процессе проектирования уникальных зданий и сооружений одной из ключевых задач является прогнозирование их взаимодействия с ветровыми потоками. Задача выявления аэродинамических нагрузок сводится к установлению коэффициентов аэродинамических сил, поскольку обтекание здания ветровыми потоками в основном осуществляется при таких значениях числа Рейнольдса, при которых значения коэффициентов давления принимаются постоянными.

Большинство вновь возводимых зданий имеет нестандартную форму, поэтому определение влияния ветра на объект — сложная задача, так как в действующих нормативных документах отсутствует информация по распределению аэродинамических коэффициентов по поверхности объекта проектирования. Эта проблематика изучается давно как отечественными, так и иностранными учеными [2-7].

В действующем СП1 говорится о том, что аэродинамические коэффициенты для зданий повышенного уровня ответственности следует устанавливать на основе модельных испытаний сооружений в аэродинамических трубах или опубликованных данных. Кроме того, современные технологии позволяют определить аэродинамические коэффициенты и ветровое давление на основе численного моделирования при помощи различных программных комплексов. Несмотря на то, что проведен ряд иссле-

дований аэродинамики зданий и сооружений путем физического эксперимента в аэродинамической трубе [8-13], такой подход требует соблюдения многих нюансов: подобие числа Рейнольдса, шероховатость покрытия, линейный масштаб макета и др. Применение численного моделирования дает возможность решить эти проблемы и получить решения, которые больше приближены к реальности.

Основная задача настоящей статьи — сравнить результаты физического и численного моделирования сооружения для дальнейшего анализа полученных значений. Практическая значимость исследования заключается в том, что данные результаты можно принимать во внимание при проектировании зданий и сооружений, имеющих схожую геометрию покрытия.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В качестве объекта исследования взят проект футбольного стадиона вместимостью 38 000 зрительских мест (рис. 1). Для проведения физического моделирования проекта был изготовлен макет сооружения с целью определения значений аэродинамических коэффициентов в специализированной

1 СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. М. : Минстрой России, 2016. 80 с.

Рис. 1. Общий вид исследуемого объекта Fig. 1. General view of the object under study

трубе. Для повышения качества и точности модели, а также сокращения сроков изготовления применена технология 3D-печати с использованием полимерных материалов (рис. 2). Масштаб макета составил 1:740, чтобы выполнить требования к линейному масштабу.

В процессе физических испытаний использована аэродинамическая труба, расположенная в лаборатории кафедры отопления и вентиляции на базе ННГАСУ Принципиальная схема трубы представлена на рис. 3.

Эксперимент проводился при ветровом потоке, фронт которого направлен на длинную сторону стадиона. С помощью микроманометра определялись показатели, которые способствовали установлению таких аэродинамических коэффициентов, как отношение давления, измеренного в изучаемой точке рпов, к динамическому давлению, создаваемому ветровым потоком на вертикальную плоскость p по формуле:

_ Рпов ие ~ ■

Ро

Основной особенностью покрытия является то, что имеется свободный проход воздуха под покрытия сооружения, поэтому важно учесть ветровое давление как с внешней части поверхности, так и с внутренней. С этой целью результаты измерялись дважды: на нижней и верхней границах поверхности модели, а затем складывались с учетом знака. Схема исследуемых точек покрытия приведена на рис. 4.

По найденным значениям аэродинамических коэффициентов определялось ветровое давление по стандартным формулам действующих нормативных документов в конкретном ветровом районе (в данном исследовании использовался III ветровой район).

В настоящее время разработано большое число универсальных пакетов программ, реализующих CFD-технологии математического моделирования (Computational Fluid Dynamic — CFD) и позволя-

Вентилятор

Аэродинамическая

труба_

Wind tunnel

Специальный |

подиум Special podium

Потоки воздуха Air flows Микроманометр

Micromanometer Исследуемый макет ~ The studied model

Рис. 3. Принципиальная схема аэродинамической трубы Fig. 3. Schematic diagram of a wind tunnel

ющих численно моделировать распределение ветровых потоков по поверхности сооружений сложной геометрической формы [14-21]. Численные методы исследования распределения давлений по поверхности покрытия основаны на решении уравнений Навье - Стокса, описывающего обтекание твердого тела потоком сжимаемой жидкости [22]. Кроме того, при моделировании ветровых потоков допускаются некоторые упрощения: потоки предполагаются несжимаемыми и изотермическими, массовые силы не учитываются. Принимая это во внимание, уравнения Навье - Стокса будут иметь вид:

dv, sipvv,.) ф д\

р—'- + ———L = ——+ ц-—

dt дх, дх, дх,.дх,

уравнение

Рис. 2. Изготовленный макет для физических испытаний Fig. 2. The model made for the physical testing

переноса;

dv,

—- — уравнение непрерывности;

dxt

p = const — уравнение состояния, где v. — компоненты вектора скорости (по осям x, y, z); p — давление; t — время; p — плотность; д = = const — динамический коэффициент вязкости.

В данном исследовании численное моделирование выполнялось в двух программных комплексах: модуль в вычислительной гидрогазомеханике ANSYS CFX, процессор Flow Simulation программы SOLIDWORKS.

Размеры рабочего пространства были приняты в соответствии с работой [22] в зависимости от максимального размера объекта: A > 5H , B > 5H ,

г г — max' — max'

C > 15 H , D > 6H (риа 5). Построение расчет-

max max

ной схемы производилось в программе SpaceClaim среды ANSYS Workbench. С целью создания расчетной сетки конечных элементов применялся сеточный препроцессор ANSYS Meshing. Для корректного воспроизведения течения в настройках сеточного генератора задавалось сгущение элементов сетки к поверхности сооружения. Задавались граничные условия на входе и выходе воздуха из расчетной области. При назначении граничных условий необ-

< п

IH

kK

G Г

S 2

0 С/з § (Л

1 S

y 1

J со

u-

^ I

n °

S 3 o

=s (

oi

о §

§ 2 n g

S 6

Г œ t ( an

SS )

Ü ® 7 л ■ . DO

■ г

s □

s У с о <D *

10 10 О О 10 10 10 10

4 5 6 7 8 9

I I I I I I

10--1---1---1---l--1—

7__

6__ 4+4 4-4- -4-

5__ 4-4- -4-

4__ 4^

--j- — j —j - <j)

I I WI

Рис. 4. Схема расположения исследуемых точек покрытия стадиона

Fig. 4. The diagram of the stadium shell points under study

Направление ветра Inlet

СЦ <4

СЦ <4

о о

СЦ <ч

к <и

0 3

> (Л

с и

1 ~„ но N

ÏÏ г 1

"с? CD

о§

о

CD g

со <г со ^

л 73

s го 00

s 1

W

(О 5 -

с

.SE О

CL ° с

ю °

от го

о Е =

со о

СП ^

т- ^

w £

L_ M

■S

I

ïï

О (Л

о о (О >

D

Рис. 5. Схема к определению параметров расчетной области

Fig. 5. The drawing used to determine the parameters of the computational domain

Табл. 1. Значения аэродинамических коэффициентов Table 1. Values of aerodynamic coefficients

ходимо, чтобы они не влияли на результаты определения аэродинамических характеристик вблизи поверхности здания:

• на входе в расчетную область задается скорость потока (V = 30,0 м/с, которая была определена по известным формулам в зависимости от ветрового района);

• на выходе — условие постоянства давления (относительное давление равно 0 Па);

• на удаленных внешних боковых границах — условие аэродинамический гладкой сетки;

• на границе объекта исследования — условие прилипания (отсутствие скольжения).

В результате итерационного расчета были получены данные о распределении ветрового давления по поверхности здания и визуализации его обтекания воздушным потоком.

При численном моделировании в программно-вычислительном комплексе (ПВК) SOLIDWORKS решалась внешняя задача по определению ветрового давления на покрытие сооружения. Размеры рабочей области назначались аналогично моделированию в ANSYS CFX. На входе задавалась скорость ветра, равная 30,0 м/с, а на выходе только значение атмосферного давления. В результате проводился итерационный расчет с целью получения необходимых данных.

Кроме того, для наглядного представления поведения ветровых потоков использовался программный комплекс SOLIDWORKS в процессоре Flow Simulations, который позволяет получить картину распределения ветрового потока на сооружение. С такой же целью был применен ПВК ANSYS CFX.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Наиболее трудо- и времязатратным является физическое моделирование макета сооружения, для которого определялись аэродинамические коэффициенты для каждой исследуемой точки, а за-

No. " 2 3 4 5 6 7 8 9 "0 "" "2

" - - -0,"" -0,06 -0,05 -0,05 -0,05 -0,05 -0,06 -0,"" - -

2 - -0,"3 -0,"" -0,06 -0,06 -0,05 -0,05 -0,06 -0,06 -0,"" -0,"3 -

3 -0,"3 -0,03 -0,03 -0,"" -0,06 -0,06 -0,06 -0,06 -0,"" -0,03 -0,03 -0,"3

4 -0,03 -0,06 -0,06 - - - - - - -0,06 -0,06 -0,03

5 -0,06 -0,06 -0,03 - - - - - - -0,03 -0,06 -0,06

6 -0,"3 -0,03 -0,03 - - - - - - -0,03 -0,03 -0,"3

7 -0,06 -0,"0 -0,"" - - - - - - -0,"9 -0,"0 -0,06

8 -0,"3 -0,"0 -0,"3 -0,"0 -0,05 -0,05 -0,05 -0,05 -0,"0 -0,"3 -0,"0 -0,"3

9 - -0,"0 -0,"0 -0,05 -0,05 -0,05 -0,05 -0,05 -0,05 -0,"0 -0,"0 -

"0 - - -0,"3 -0,"3 -0,"3 -0,06 -0,06 -0,"3 -0,"3 -0,"3 - -

тем — ветровое давление. Полученные результа- На основании полученных значений были по-

ты для более наглядного представления сведены строены изополя распределения ветрового давления в табл. 1, 2. по покрытию сооружения (рис. 6).

Табл. 2. Значения ветрового давления Table 2. Values of wind pressure

No. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1 - - -0,13 -0,08 -0,06 -0,06 -0,06 -0,06 -0,08 -0,13 - -

2 - -0,15 -0,13 -0,08 -0,08 -0,06 -0,06 -0,08 -0,08 -0,13 -0,15 -

3 -0,15 -0,04 -0,04 -0,13 -0,08 -0,08 -0,08 -0,08 -0,13 -0,04 -0,04 -0,15

4 -0,04 -0,08 -0,08 - - - - - - -0,08 -0,08 -0,04

5 -0,08 -0,08 -0,04 - - - - - - -0,04 -0,08 -0,08

6 -0,15 -0,04 -0,04 - - - - - - -0,04 -0,04 -0,15

7 -0,08 -0,11 -0,13 - - - - - - -0,13 -0,11 -0,08

8 -0,15 -0,11 -0,15 -0,11 -0,06 -0,06 -0,06 -0,06 -0,11 -0,15 -0,11 -0,15

9 - -0,11 -0,11 -0,06 -0,06 -0,06 -0,06 -0,08 -0,06 -0,11 -0,11 -

10 - - -0,15 -0,15 -0,15 -0,08 -0,08 -0,15 -0,15 -0,15 - -

Примечание к табл. 1, 2: номера 1-12 и 1-10 показывают ряды расположения исследуемых точек; градиент выражает различную интенсивность давления в исследуемых точках.

Note to Tables 1, 2: numbers 1-12 and 1-10 show the rows of the points under study; the gradient shows the varying pressure intensity at the points of study.

Давление, кПа \Pressure, kPa

Давление, Па Pressure, Pa

1.187e+02

9.633e+01

7.391e+01

5.149e+01

2.908e+01

6.657e+00

-1.576e+01

-3.818e+01

-6.060e+01

-8.302e+01

-1.054e+02

-1.279e+02

-1.503e+02

-1.727e+02

-1.951e+02

-2.175e+02

-2.399e+02

I

S 101872.967 101723.779 - 101574.809 101426.057 101277.524 101129.207 100981.108 100833.226 100685.560 100538.111 100390.877

- 100243 860

100097.057 99950.470 99804.097 Давление,

Па Pressure, Pa

Рис. 6. Изополя ветрового давления, полученные в ходе физического моделирования (а) и численного моделирования в ПВК ANSYS CFX (b); и в SOLIDWORKS (с)

Fig. 6. Isofields of wind pressures obtained during physical modeling (a) and during numerical modeling in ANSYS CFX (b); and SOLIDWORKS (с)

ее

ф Ф

<2. о

ili мМ

G Г

S 3

о от

У -Ь

J со

u 23

n 0

2 3 о

=! (

01

о n

zs )

(/) '

it —

u ОТ

t ОТ

о 2

n 2

a 0

2 -3 r 6

Ф )

(i

® 7 (

. DO I T s 3

» У S 0 Ф *

Ю M

о о

Kl Kl 2 2

b

а

с

Табл. 3. Значения ветрового давления, полученные в программе SOLIDWORKS Table 3. Values of wind pressures obtained in SOLIDWORKS software

Результат моделирования с учетом АД, Па The result of modeling with account taken of AP, Pa Результат моделирования без учета АД, Па The result of modeling without the account of AP, Pa Результат моделирования без учета АД, кПа The result of modeling without the account of AP, kPa

101 873 548,0 0,548

101 724 399,0 0,399

101 575 250,0 0,25

101 426 101,0 0,101

101 278 -47,0 -0,047

101 129 -196,0 -0,196

100 981 -344,0 -0,344

100 833 -492,0 -0,492

100 686 -639,0 -0,639

100 538 -787,0 -0,787

100 391 -934,0 -0,934

100 244 -1081,0 -1,081

100 097 -1228,0 -1,228

99 950 -1375,0 -1,375

99 804 -1521,0 -1,521

N N N N О О N N

К ш

U 3

> (Л

с и со

1 - £

ф Ф

о £

о

о о со <

8 « Si §

(Л "

от IE —

с

Е о

CL ° ^ с

ю о

S ц

о Е

СП ^ т- ^

<л

(Л

2 3

£ !

О (О №

Скорость, м/с Velocity, m/s

Вектор скорости 1 Velocity vector 1 3.343е+01

2.508е+01

1.674е+01

8.388е+00

4.100е-02 [m sA-1]

b

Рис. 7. Визуализация ветровых потоков в ПВК SOLIDWORKS (a) и ANSYS CFX (b) Fig. 7. Visualization of wind flows in SOLIDWORKS (a) and ANSYS CFX (b)

a

Изополя ветрового давления, полученные в ходе итерационных расчетов при приемлемой сходимости в ПВК ANSYS CFX и в SOLIDWORKS, представлены на рис. 6. Следует отметить, что результаты в SOLIDWORKS показаны с учетом нормального атмосферного давления (АД) и для учета только давления, действующего на покрытие. Из найденного давления надо вычесть нормальное АД (101 325 Па). Результаты

сведены в табл. 3 для более объективного анализа.

На рис. 7 показана полученная в ПВК SOLIDWORKS и ANSYS CFX визуализация ветровых потоков.

На основе результатов численного и физического моделирования построены эпюры ветрового давления по сечению, проведенному вдоль направления потока (рис. 8).

-0,06

-0,08

-0,24

-0,51

-0,01

-0,08

-0,06

-0,25

< п

8 8 ITH

G Г

0 от

§ СО

1 2

У 1

J to

^ I

n °

2 3 o 2

=! (

oi n

u ОТ

§ 2

n 0

2 ¡6

r 6

t (

cc §

CD )

®i

® 7 л " . DO

■ T

s 3

s у

с о ® *

Рис. 8. Эпюры ветрового давления для физического эксперимента (a); ANSYS CFX (b) и ПВК SOLIDWORKS (с) Fig. 8. Wind pressure curves for the physical experiment (a); ANSYS CFX (b) and SOLIDWORKS (с)

10 10 о о 10 10 10 10

a

b

с

сч N

сч N

О О

N N

¡г ш

U 3

> (Л

с и со N

i - £

ф ф

О ё

о

о о со <

8 « §

(Л "

от Е

Е О

CL ° ^ с

ю о

S ц

о Е

СП ^ т- ^

<л

(Л

«г? iE 3S

О (О №

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОБСУЖДЕНИЕ

На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:

Физическое моделирование показало, что на покрытие действует преимущественно отрицательное давление, что приводит к дополнительному разгружению конструкций. Выявлены несколько участков срывов потока и увеличения ветрового давления. Величина ветрового давления преимущественно изменяется в пределах -0,25.. .-0,04 кПа.

По результатам численного моделирования в ANSYS CFX было определено, что на всем покрытии преимущественно происходит отсос, но также имеются зоны с положительным давлением. Выявлена зона, которая занимает большую часть покрытия с ветровым давлением около -0,06 кПа. Ветровые давления изменяются в пределах -0,24.. .+0,04 кПа.

При численном моделировании в SOLIDWORKS установлены зоны как отрицательного, так и положительного давления. Диапазон давления составил 0,51.0,10 кПа.

По полученным схемам ветровых потоков можно определить, что потоки «заходят» под покрытие сооружения, а значит, создаются зоны, в которых возникает дополнительное давление (как отрицательное, так и положительное). При прохождении потоков над левой консолью они образуют под ней (см. рис. 7) зону пониженного давления, что приводит к дополнительному отсосу.

Анализ полученных значений показывает, что диапазоны ветрового давления для каждого вида исследования практически совпадают. Также можно выделить одинаковые участки при проведении натурных испытаний и численного моделирования в ANSYS CFX.

По эпюрам давления можно увидеть ряд отличий:

• при численном моделировании наблюдается увеличение давления на кромке покрытия, которое отсутствует при физическом моделировании (из-за малого размера макета проблематично измерить давление на кромке);

• в ПВК ANSYS CFX установлено возникновение положительного давления от действия ветровой нагрузки, отсутствующее в других видах исследований;

• в ПВК SOLIDWORKS отмечается резкое увеличение давления на кромках как левой, так и правой консольных частей.

На основании проведенных экспериментов и моделирования было установлено, что результаты, полученные в SOLIDWORKS, хоть и имеют некоторые совпадения по изополям давления, все-таки отличаются от других данных, полученных ранее, что при проектировании может привести к неправильному распределению зон ветра и некорректному учету асимметрии нагрузки, а следовательно, к ошибочному анализу напряженно-деформированного состояния. Имеются завышенные пиковые значения на кромках покрытия и заниженные, по сравнению с другими исследованиями, значения по большей части поверхности.

В общем можно сделать вывод о том, что при проведении физического эксперимента в аэродинамической трубе и численном моделировании в ANSYS CFX наблюдается высокая сходимость результатов как по характеру распределения ветрового давления, так и в численном эквиваленте. Таким образом, при реальном проектировании зданий и сооружений, в особенности имеющих нестандартные формы, следует моделировать объекты как в аэродинамической трубе, так и в различных программных комплексах, в которых реализованы CFD-технологии.

При дальнейшем изучении данного объекта планируется провести анализ влияния трибун под поверхностью покрытия и сравнить результаты с численным моделированием в ANSYS CFX.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ

1. Физический энциклопедический словарь / гл. ред. А.М. Прохоров. М. : Советская энциклопедия, 1983. 928 с.

2. Поддаева О.И., Дуничкин И.В. Архитектурно-строительная аэродинамика // Вестник МГСУ. 2017. Т. 12. № 6 (105). С. 602-609. DOI: 10.22227/19970935.2017.6.602-609

3. Реттер Э.И. Архитектурно-строительная аэродинамика. М. : Стройиздат, 1984. 294 с.

4. Чмовж В.В., Гирька Ю.В. Современные проблемы аэродинамики зданий на примере театра оперы и балета города Одессы // Аэрогидродинамика и аэроакустика: проблемы и перспективы. 2009. DOI: 10.13140^.2.1.3852.2007

5. Lawson T. Building Aerodynamics. London : Imperial College Press, 2001. 286 p. DOI: 10.1017/ S0001924000013130

6. Березин М.А., Катюшин В.В. Атлас аэродинамических характеристик строительных конструкций. Новосибирск : ООО «Олден-полиграфия», 2003. 130 с.

7. Попов Н.А., Лебедева И.В., Богачев Д.С., Березин М.М. Воздействие ветровых и снеговых нагрузок на большепролетные покрытия // Промышленное и гражданское строительство. 2016. № 12. С. 71-76.

8. Мущанов В.Ф., Зубенко А.В., Дроздов А.А. Исследование аэродинамических коэффициентов провисающих мембранных покрытий инженерных

сооружений // Металлические конструкции. 2017. Т. 23. № 2. С. 81-96.

9. Гныря А.И., Коробков С.В., Кошин А.А., Терехов В.И. Моделирование ветровых нагрузок при обтекании воздушным потоком системы моделей зданий при вариации их расположения // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2018. № 4. С. 65-73.

10. Хазов П.А., Февральских А.В., Лампси Б.Б., Щелокова Ю.Д., Анущенко А.М. Экспериментальное исследование распределения ветровой нагрузки на поверхность большепролетного здания // Приволжский научный журнал. 2019. № 2 (50). С. 9-16.

11. Лампси Б.Б., Шилов С.С., Хазов П.А., Февральских А.В. Определение аэродинамических коэффициентов большепролетного покрытия экспериментальным методом // Приволжский научный журнал. 2021. № 3 (59). С. 17-24.

12. Tominaga Y., Blocken B. Wind tunnel experiments on cross-ventilation flow of a generic building with contaminant dispersion in unsheltered and sheltered conditions // Building and Environment. 2015. Vol. 92. Pp. 452-461. DOI: 10.1016/j.build-env.2015.05.026

13. Кошин А.А. Анализ динамического воздействия воздушного потока на тандем моделей высотных зданий // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 2 (43). С. 134-141.

14. Gelbashts D., Buyruk A., Sahin B., Karabu-lut K., Alnak A. Experimental and numerical study of the effect of the coating on the characteristics of the wind flow between adjacent buildings // 8-th International Conference on Advanced Technologies. Elazig, 2017. Pp. 1648-1655.

"5. Mohamed A., White K., Watkins S. Comparison of the numerical study of the effect of building protrusion aerodynamics with the results of aerodynamic tests // "5th Australian wind energy society workshop. Sydney, 20"2. 4 p.

"6. Лебедев П.В. Возможности численного моделирования в проблеме определения высотных зданий и сооружений атмосферным ветром в условиях городской застройки // Материалы VIII Международной школы-семинара «Модели и методы аэродинамики». М. : МЦНМО, 2008. С. 96-97.

"7. Анущенко А.М., Ерофеев В.И., Хазов П.А., Сатанов А.А., Февральских А.В. Исследование обтекания воздушными потоками большепролетной поверхности численным и экспериментальным методами // Приволжский научный журнал. 202". № " (57). С. 9-"8.

"8. Hoerner S.F. Fluid-dynamic drag: theoretical, experimental and statistical information. Wachington, "965. 455 p.

"9. Гувернюк С.В., Гагарин В.Г. Компьютерное моделирование аэродинамических воздействий на элементы ограждений высотных зданий // Журнал АВОК. 2007. № ". С. "6-25.

20. Gorji-Bandpy M., Aly A.-M. Aerodynamics. 202". URL: https://www.intechopen.com/books/8558

2". Айрапетов А.Б., Вышинский В.В., Кату-нин А.В. Расчетные и экспериментальные исследования обтекания высотных зданий и сооружений атмосферным ветром в условиях городской застройки // Труды Московского физико-технического института. 20"7. Т. 9. № 2 (34). С. 5-"2.

22. Темам Р. Уравнения Навье-Стокса. Теория и численный анализ. М. : Мир, "98". 408 с.

Поступила в редакцию 17 декабря 2021 г. Принята в доработанном виде 24 января 2022 г. Одобрена для публикации 24 января 2022 г.

Об авторах: Борис Борисович Лампси — кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой теории сооружений и технической механики; декан инженерно-строительного факультета; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ); 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65; SPIN-код: 5493-3763; [email protected];

Сергей Сергеевич Шилов — аспирант кафедры теории сооружений и технической механики; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ); 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65; инженер-конструктор; Строй-Снаб; 603093, г. Нижний Новгород, ул. Печерский съезд, д. 22 а, офис 218; РИНЦ ГО: 1135132; [email protected];

Павел Алексеевич Хазов — кандидат технических наук, доцент кафедры теории сооружений и технической механики; Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ); 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65; РИНЦ ГО: 809222; [email protected].

Вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

< П

iH

kK

G Г

S 2

0 со § СО

1 S

y 1

J со

u-

^ I

n °

S 3 o

=s (

oi

о §

E w § 2

n g

S 6

Г œ t ( an

SS )

i! !

. DO

■ г

s □

s У с о <D Ж

10 10 о о 10 10 10 10

REFERENCES

N N N N

o o

N N

H o

U 3

> in

E M

CO N

i - $

CD CD

O ë

o

o o CO <

8 « Si §

CO "

co iE

E o

CL ° c

Ln O

s H

o E

CD ^

T- ^

1. Physical encyclopedic dictionary / ed. by A.M. Prokhorov. Moscow, Soviet Encyclopedia, 1983; 944. (rus.).

2. Poddaeva O.I., Dunichkin I.V. Architectural-building aerodynamics. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2017; 12(6):(105):602-609. DOI: 10.22227/19970935.2017.6.602-609 (rus.).

3. Retter E.I. Architectural and construction aerodynamics. Moscow, Stroyizdat, 1984; 294. (rus.).

4. Chmovzh V.V., Girka Yu.V. Modern problems of aerodynamics of buildings on the example of the Opera and Ballet Theater of the city of Odessa. Aerohydro-dynamics and Aeroacoustics: Problems and Prospects. 2009. DOI: 10.13140/RG.2.1.3852.2007 (rus.).

5. Lawson T. Building Aerodynamics. London, Imperial College Press, 2001; 286. DOI: 10.1017/ S0001924000013130

6. Berezin M.A., Katyushin V.V. Atlas of aerodynamic characteristics of building structures. Novosibirsk, Olden-polygraphy LLC, 2003; 138. (rus.).

7. Popov N.A., Lebedeva I.V., Bogachev D.S., Berezin M.M. The impact of wind and snow loads on long-span coatings. Industrial and Civil Engineering. 2016; 12:71-76. (rus.).

8. Mushchanov V., Zubenko H., Drozdov A. Researches of aerodynamic coefficients of deflect membrane roof of engineer constructions. Metall Constructions. 2017; 23(2):81-96. (rus.).

9. Gnyrya A.I., Korobkov S.V., Koshin A.A., Te-rekhov V.I. Simulation of wind-induced airflow round building models with different arrangement. Journal of Construction and Architecture. 2018; 4:65-73. (rus.).

10. Khazov P.A., Fevralskykh A.V., Lampsi B.B., Schyolokova Y.D., Anuschenko A.M. Experimental study of wind load distribution on the surface of large-span buildings. Privolzhsky Scientific Journal. 2019; 2:9-16. (rus.).

11. Lampsi B.B., Shilov S.S., Khazov P.A., Fevralskykh A.V. Determination of aerodynamic coefficients of a large-span coverage by an experimental method. Privolzhsky Scientific Journal. 2021; 3(59):17-24. (rus.).

12. Tominaga Y., Blocken B. Wind tunnel experiments on cross-ventilation flow of a generic building with contaminant dispersion in unsheltered and shel-

tered conditions. Building and Environment. 2015; 92:452-461. DOI: 10.1016/j.buildenv.2015.05.026

13. Koshin A.A. Analysis of airflow dynamic impact on tandem-arranged high-rise building models. Journal of Construction and Architecture. 2014; 2(43):134-141. (rus.).

14. Gelbashts D., Buyruk A., Sahin B., Karabu-lut K., Alnak A. Experimental and numerical study of the effect of the coating on the characteristics of the wind flow between adjacent buildings. 8-th International Conference on Advanced Technologies. Elazig, 2017; 1648-1655.

15. Mohamed A., White K., Watkins S. Comparison of the numerical study of the effect of building protrusion aerodynamics with the results of aerodynamic tests. 15th Australian wind energy society workshop. Sydney, 2012; 4.

16. Lebedev P.V. Possibilities of numerical modeling in the problem of determining high-rise buildings and structures by atmospheric winds in urban conditions. Materials of the VIII International school-seminar "Models and methods of aerodynamics". Moscow, ICNMO, 2008; 96-97. (rus.).

17. Anuschenko A.M., Erofeev V.I., Khazov P.A., Satanov A.A., Fevralskykh A.V. Study of air flows streamlining of a large-span surface by numerical and experimental methods. Privolzhsky Scientific Journal. 2021; 1(57):9-18. (rus.).

18. Hoerner S.F. Fluid-dynamic drag: theoretical, experimental and statistical information. Wachington, 1965; 455.

19. Gouvernyuk S.V., Gagarin V.G. Computer modeling of aerodynamic effects on elements of fences of high-rise buildings.AVOKMagazine. 2007; 1:16-25. (rus.).

20. Gorji-Bandpy M., Aly A.-M. Aerodynamics. 2021. URL: https://www.intechopen.com/books/8558

21. Airapetov A.B., Vyshinsky V.V., Katunin A.V. Computational and experimental studies of the flow of high-rise buildings and structures by atmospheric wind in urban conditions. Proceedings of Moscow Institute of Physics and Technology. 2017; 9(2):(34):5-12. (rus.).

22. Temam R. Navier-Stokes equations. Theory and numerical analysis. Moscow, Mir, 1981; 408. (rus.).

co co

i!

o in

Received December 17, 2021.

Adopted in revised form on January 24, 2022.

Approved for publication on January 24, 2022.

Bionotes: Boris B. Lampsi — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Theory of Structures and Technical Mechanics; Dean of the Faculty of Civil Engineering; Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU); 65 Il'inskya st., Nizhny Novgorod, 603950, Russian Federation; SPIN-code: 5493-3763; [email protected];

Sergey S. Shilov — postgraduate student of the Department of Theory of Structures and Technical Mechanics; Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU); 65 Il'inskya st., Nizhny Novgorod, 603950, Russian Federation; structural engineer; Stroy-Snab; office 218, 22 a Pechersky congress st., Nizhny Novgorod, 603093, Russian Federation; ID RISC: 1135132; [email protected];

Pavel A. Khazov — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Head of the Department of Theory of Structures and Technical Mechanics; Nizhny Novgorod State University of Architecture and Civil Engineering (NNGASU); 65 Il'inskya st., Nizhny Novgorod, 603950, Russian Federation; ID RISC: 809222; [email protected].

Contribution of the authors: all authors made an equivalent contribution to the preparation of the publication. The authors declare no conflicts of interest.

< DO

iH

kK

G Г

S 2

0 со § СО

1 S

y 1

J CD

u-

^ I

n °

S 3 o

=s (

oi

о §

E w § 2

n g

S 6

Г œ tt ( Un

SS )

ii

® 7 i

. DO

■ г

s □

s У с о <D Ж

10 10 о о 10 10 10 10