CC BY-NC
68
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-388-85-94 УДК 533.6.07
С.Ю. Соловьев
ФГУП «Крыловский государственный научный центр», Россия, Санкт-Петербург
ЛАНДШАФТНАЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКАЯ ТРУБА: ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
Объект и цель научной работы. Объектом научной работы является новая экспериментальная установка -ландшафтная аэродинамическая труба. Цель работы - описание экспериментальной установки, ее отдельных элементов, а также анализ требований, исходя из которых выбирались параметры для проектирования ландшафтной аэродинамической трубы.
Материалы и методы. В качестве метода исследования применялся анализ недостатков и преимуществ существующих специализированных аэродинамических труб, а также потребностей основных заказчиков аэродинамических исследований.
Основные результаты. Обоснованы ключевые требования к современным специализированным аэродинамическим трубам, которые заключаются в необходимости моделирования пограничного слоя атмосферы, исследований с использованием моделей крупного масштаба с хорошей детализацией, а также в наличии системы климатического контроля параметров потока в рабочей части.
Заключение. Результаты работы подтверждают, что размеры рабочей части ландшафтной аэродинамической трубы и уровень ее оснащения современным технологическим и измерительным оборудованием позволяют выполнять прикладные исследования на самом высоком мировом уровне как минимум в трех отраслях: судостроение, мостостроение, градостроительство.
Ключевые слова: ветровая нагрузка, пограничный слой атмосферы, аэродинамическая устойчивость, ландшафтная аэродинамическая труба, экспериментальные исследования. Автор заявляет об отсутствии возможных конфликтов интересов.
DOI: 10.24937/2542-2324-2019-2-388-85-94 UDC 533.6.07
S. Solovev
Krylov State Research Centre, St. Petersburg, Russia
LANDSCAPE WIND TUNNEL: TECHNICAL PECULIARITIES
Object and purpose of research. This paper describes a new Krylov State Research Centre test facility, Landscape Wind Tunnel, its main elements and design requirements.
Materials and methods. The paper analyses advantages and disadvantages of existing special wind tunnels, as well as the needs of main wind tunnel test customers.
Main results. This study justifies main requirements to modern special wind tunnels, including the necessity of boundary layer simulation, handling of large models with lots of details, as well as climate control of wind parameters in the test section.
Conclusion. The results confirm that Krylov State Research Centre Landscape Wind Tunnel, in terms of its test section size and available test equipment and instrumentation, can offer world-class services in at least three spheres: shipbuilding, bridge construction and urban development.
Keywords: wind load, boundary layer, aerodynamic stability, Landscape Wind Tunnel, experimental studies. Author declares lack of the possible conflicts of interests.
Для цитирования: Соловьев С.Ю. Ландшафтная аэродинамическая труба: технические особенности. Труды Крыловского государственного научного центра. 2019; 2(388): 85-94.
For citations: Solovev S. Landscape Wind Tunnel: technical peculiarities. Transactions of the Krylov State Research Centre. 2019; 2(388): 85-94 (in Russian).
Введение
Introduction
В Крыловском государственном научном центре (КГНЦ) научное направление аэродинамики начало развиваться в 1959 г., с момента введения в строй аэродинамической трубы А-6, созданной по типовому проекту авиационной промышленности. Она имеет открытую рабочую часть эллиптического сечения размерами 4*2,5 и длиной 5 м. Для моделирования границы раздела сред используется жесткий экран размером 3,5*3,5 м. Основными объектами для исследований являются надводные части кораблей и судов, подводные аппараты различного назначения, морские стационарные платформы, суда с динамическими принципами поддержания. В числе объектов исследований для нужд других отраслей - аэростаты, ветровые установки, архитектурные объекты, а также спортсмены и их экипировка для различных видов спорта (бобслей, скелетон, велоспорт, прыжки с трамплина, конькобежный спорт).
С начала 2000-х гг. в России начался серьезный рост проектирования и строительства уникальных архитектурных объектов, таких как высотные здания в крупных городах, небоскребы «Москва-Сити», большепролетные мосты, стадионы. При проектировании подобных сложных объектов корректный учет ветровой и снеговой нагрузки особенно актуален. Например, нагрузка от ветра для зданий высотой более 200 м соизмерима с нагрузками от 9-балльного землетрясения. Ветровая нагрузка также выходит на первый план для мостов с пролетом более 100 м - в этом случае начинают появляться эффекты аэродинамической неустойчивости, которые вызывают опасные колебания [1, 2]. Недопустимые колебания балочного моста, которые были зафиксированы в 2010 г. в Волгограде, очередное тому доказательство.
Для получения достоверных результатов о ветровых нагрузках во многих странах существуют требования о необходимости проведения при проектировании исследований моделей зданий и мостов в специализированных аэродинамических трубах [3, 4]. Эти установки обязательно должны иметь длинную рабочую часть для моделирования пограничного слоя атмосферы (ПСА), а также достаточно широкую рабочую часть, чтобы проводить исследования на моделях крупного масштаба с учетом окружающей застройки/рельефа местности. Эти требования согласуются с опытом, накопленным в лаборатории аэродинамики КГНЦ в процессе проведения большого числа исследований проектов высотных зданий и комплексов, а также в ходе исследований ветровых режимов в бухте Териберская [5]. Следует отдельно отметить тот факт, что из-за отсутствия специализированных аэродинамических труб аэродинамические исследования практически всех уникальных мостов и небоскребов в России до 2013 г. проводились в иностранных научных центрах. Для обеспечения проведения аэродинамических исследований ландшафтных объектов на самом высоком научном уровне в КГНЦ в 2013 г. началось строительство ландшафтной аэродинамической трубы (ЛАТ), которая была введена в строй в 2015 г.
Описание ландшафтной аэродинамической трубы
Description of Landscape Wind Tunnel
Ландшафтная аэродинамическая труба - это двухуровневая установка замкнутого типа с закрытой рабочей частью (рис. 1). На втором уровне располагаются 7 импеллеров, которые осуществляют движение воздуха по замкнутому контуру. Практически весь первый уровень - это рабочая часть аэродинамической трубы. Главными особенностями ЛАТ являются размеры рабочей части и оснащение
Рис. 2. Схема ландшафтной аэродинамической трубы. Продольный разрез
Fig. 2. Cross-cut of Landscape Wind Tunnel
самым современным технологическим оборудованием и средствами измерений.
До начала работ по проектированию ЛАТ был проведен подробный анализ потребностей потенциальных заказчиков - тех, которые имелись на тот момент, и тех, которые могли появиться в среднесрочной и отдаленной перспективе. Среди потенциальных заказчиков исследований в ЛАТ следует отметить судостроителей с традиционными для КГНЦ объектами, проектировщиков мостовых сооружений, проектировщиков высотных зданий. Также необходимо отдельно выделить проблемы аэродинамики, связанные с проектированием и эксплуатацией высокоскоростных железных дорог. Решение задач для каждой из этих отраслей требовало определенной специфики в конструкции аэродинамической трубы и ее технологическом оборудовании. После анализа потребностей заказчиков были изучены подобные установки, существующие за рубежом, найдены технические особенности и недостатки, которые были учтены при проектировании ЛАТ. В результате проделанной работы был создан проект экспериментальной установки, схема которой приведена на рис. 2 и 3.
Параметры ландшафтной аэродинамической трубы:
■ замкнутая аэродинамическая труба с закрытой рабочей частью;
■ сечение рабочего участка - прямоугольник 11x2,3 м;
■ длина рабочего участка - 18 м;
■ скорость набегающего потока - до 14 м/с;
■ шаг регулировки скорости потока - 0,1 м/с;
■ поворотный круг, максимальная погрешность угла поворота - 0,1°;
■ трехкоординатное устройство перемещения по осям Х, У, 2 - 0,5 мм;
■ система климатического контроля параметров потока.
Рабочая часть. Длина рабочей части ЛАТ составляет 18 м и обеспечивает возможность модели-
Рис. 3. Схема ландшафтной аэродинамической
трубы. Поперечный разрез
Fig. 3. Layout of boundary layer simulation
рования ПСА (рис. 4). Дело в том, что объекты, находящиеся на суше или в море, взаимодействуют с природным ветром, скорость и характеристики турбулентности которого значительно изменяются с высотой. При проектировании ответственных и высотных сооружений для корректного определения ветровой нагрузки необходимо проводить исследования в специализированных аэродинамических трубах с учетом моделирования ПСА. Эти
Рис. 4. Схема моделирования пограничного слоя атмосферы
Fig. 4. A mock-up of Landscape Wind Tunnel
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540
..... .....
- -
^¿yt- г Ха \
\ У V
\/ —:— - климагконтроль отключен —ù— климатконтроль включен -г
Л \ /
r/f" /
/
I , - U-v.
—Т—Г 1—1—I —1—1—1—1—1— 1 1 1 1 1 ..... —\—1—1—1—г- 11111 —1—I—1—1—1— ■ 1 1 1 1 —у—1—1—1—1--
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540
t, мин
Рис. 5. Зависимость температуры потока в рабочей части ландшафтной аэродинамической трубы от продолжительности работы гонных двигателей
Fig. 5. Flow temperature in the test section versus operation time of wind-making motors
требования сформулированы как в зарубежных, так и в российских руководящих документах по проектированию [3, 4, 6]. В них также приведены аппроксимирующие зависимости средней и пульса-ционной составляющих скорости от высоты и энергетический спектр ветра для разных типов местности. В настоящее время требование проектировщиков высотных зданий и большепролетных мостов по моделированию ПСА во время экспериментов является базовым.
Моделирование ПСА в ЛАТ происходит за счет естественного его нарастания в рабочей части с установленными в ней вихрегенераторами и элементами дискретной шероховатости. В качестве вихре-генераторов используются трапеции, в качестве элементов дискретной шероховатости - призмы различного размера. Таким образом, за счет варьирования размеров, положения, количества вихре-генераторов и призм можно воспроизвести требуемый пограничный слой атмосферы [7].
Выбор ширины рабочей части ЛАТ размером 11 м связан с необходимостью проводить исследования на моделях в крупном масштабе, а в случае архитектурных сооружений - воспроизводить окружающую застройку/ландшафт в радиусе трех высот исследуемого объекта. Например, если высота исследуемого здания Н = 200 м, то модель окружающей застройки должна включать здания, расположенные в радиусе 600 м. При моделировании в масштабе М 1:200 габарит такой модели окружающей застройки будет составлять 6 м. В этом случае, чтобы исключить влияние боковых стенок рабочей части, ее ширина должна превышать 8 м. Более жесткие требования к ширине рабочего участка предъявляются при исследованиях большепролетных мостов, т.к. при этом используются модели в диапазоне масштабов 1:50-200. В таких случаях длина модели моста составляет 8-10 м.
Выбор высоты рабочей части размером 2,3 м связан с необходимостью выдерживать определенный диапазон масштабов моделей для аэродинамических исследований. Для высотных зданий модель должна быть изготовлена в диапазоне масштабов М 1:100-300 и не превышать М 1:500 даже для сверхвысоких небоскребов. В противном случае может быть нарушен один из важных критериев физического моделирования - критерий Рейнольд-са, что наряду с низкой детализацией модели приведет к недостоверным данным о нагрузках.
Для большепролетных вантовых мостов высота рабочей части также очень важна. Ярким примером может быть мост на о. Русский, длина центрального пролета которого составляет 1104 м, а высота пилонов - 324 м. Испытания модели этого моста проходили в аэродинамической трубе ландшафтного типа в Дании на модели, изготовленной в минимально возможном для корректных исследований масштабе 1:225 (еще меньше модель быть не могла, поскольку нарушились бы критерии подобия по числу Струхаля и по числу Коши). Во время испытаний пилоны почти упирались в потолок рабочей части, высота которого составляла 1,7 м, и заведомо находились в пограничном слое, формировавшемся на потолке, что снижало «чистоту» эксперимента.
Система климатического контроля. ЛАТ оснащена системой климатического контроля, которая поддерживает постоянную температуру воздушного потока в рабочей части. Дело в том, что аэродинамические трубы, предназначенные для исследования зданий и сооружений, имеют замкнутый контур и закрытую рабочую часть, поэтому воздух внутри такой аэродинамической трубы изолирован от окружающего пространства. Для разгона потока внутри замкнутого контура, как правило, используют вентиляторы с двигателями, расположенными в проточной части обратного канала.
Во время работы двигатели выделяют тепло, что приводит к постепенному нагреву воздушного потока при исследованиях. Изменение температуры воздушного потока на несколько градусов может послужить причиной недостоверных экспериментальных данных, особенно при применении упруго-подобных моделей.
На рис. 5 приведен график зависимости температуры потока в рабочей части ЛАТ в течение двух контрольных дней работы установки. В первый контрольный день система климатического контроля была выключена, поэтому температура потока сразу после включения двигателей начала расти и за 2 ч. поднялась на 12 °С до значения 34 °С. После этого был 2-часовой технологический перерыв в работе, за это время поток остыл на 10 °С до значения 24 °С. При последующем включении установки температура снова увеличилась, а при небольших 10-минутных остановках опускалась на 4-5 °С.
В предельных случаях, когда эксперимент в аэродинамических трубах идет в автоматическом режиме без больших технологических перерывов, поток в рабочей части может нагреваться до температуры выше 50 °С. В частности, из-за этой особенности исследования большепролетных мостов, проводимые в научном центре Дании, несколько раз подвергались серьезной критике.
При включении системы климатического контроля температура в рабочей части ЛАТ сохранялась на уровне около 22 °С (± 1 °С) независимо от времени и скоростного режима работы экспериментальной установки (рис. 5).
Поворотный круг. Еще одним новшеством в ЛАТ является наличие в полу трубы поворотного круга (рис. 6). В российских нормах существует требование по определению аэродинамических характеристик строительных конструкций для 36 основных направлений ветра. На поворотном круге устанавливаются модели исследуемого объекта и окружающего ландшафта. Он имеет диаметр 10 м, способен нести нагрузку до 4 т и при этом сохраняет плоскостность 1,5 мм в любой точке на своей поверхности (максимальное отклонение от горизонтали). Поворот на любой заданный угол осуществляется с погрешностью не более 0,1°. За счет поворота круга относительно потока моделируются все возможные направления ветра.
Поворот модели на любой заданный угол осуществляется за считанные секунды в автоматическом режиме с помощью компьютерного управления. Для сравнения: в аэродинамических трубах ландшафтного типа без поворотного круга (практи-
Рис. 6. Модель ледокола на поворотном круге в рабочей части ландшафтной аэродинамической трубы
Fig. 6. A model of icebreaker on the test section turntable of Landscape Wind Tunnel
чески все в мире, кроме трубы в Милане) поворот модели относительно ветра выполняется вручную. Для этого необходимо частично разобрать модель и окружающую застройку, собрать в новом положении и выставить модель в горизонтальной и вертикальной плоскостях. На эту процедуру уходит от 1 до 2 рабочих смен. Например, в ходе упомянутых испытаний модели моста на о. Русский в Дании при продолжительности измерений при одном угле ветра около 30 мин. ручная установка модели на каждый следующий угол требовала 1,5 смены, что привело к необходимости сокращения программы испытаний с 36 до 7 направлений ветра для уменьшения срока проведения работ.
Координатное устройство. В потолке установки расположено трехкоординатное устройство для перемещения измерительных зондов и сканирования потока вокруг исследуемой модели. Область перемещения координатного устройства -10^10x2 м, погрешность позиционирования - не более 0,5 мм. Добиться указанной погрешности перемещения на длине 10 м было непростой задачей. Связано это с тем, что погрешность монолитных и общестроительных работ для конструкции ландшафтной аэродинамической трубы составляла около 30 мм (что само по себе очень хороший результат для строителей). При этом поставщики координатного устройства требовали погрешности позиционирования закладных деталей для его крепления не более 0,5 мм. Для перехода от строительной точности к машиностроительной точности закрепления координатного устройства на потолке были спроектированы специальные юстировочные механизмы и реализована программная компенсации прогибов потолка рабочего участка ЛАТ.
Указанные усилия были предприняты в связи с тем, что при определении структуры потока координатное устройство с погрешностью позиционирования датчика более 1 мм теряет смысл, т.к. это будет сильно сказываться на точности измерений. В настоящее время координатное устройство используется для автоматического перемещения зондов при измерениях характеристик потока. Например, исследуется скорость и направление ветра в пешеходных зонах при испытаниях жилых кварталов. На основе этих данных выдается заключение о ветровом комфорте в пешеходных зонах. Также с помощью координатного устройства измеряются поля скорости над взлетно-посадочными площадками для различных направлений ветра. Эти данные служат основой для разработки рекомендаций по выбору безопасных направлений для посадки вертолетной техники и совершения маневров вблизи взлетно-посадочных полос, расположенных на судне, морской платформе, здании.
Характеристики потока
в рабочей части ландшафтной
аэродинамической трубы
Flow parameters in the test section of Landscape Wind Tunnel
Технические средства и мероприятия по выравниванию потока. При работе ЛАТ в «штатном» режиме в ее рабочей части всегда присутствуют элементы дискретной шероховатости и вихрегенерато-ры, при помощи которых происходит моделирование ПСА. Несмотря на этот факт, при проектировании ЛАТ было уделено большое внимание созданию равномерного потока в рабочей части, когда в ней отсутствуют элементы для моделирования ПСА.
Возникновение неравномерного воздушного потока и пульсаций скорости в аэродинамических трубах в основном связано с периодическими вихрями, срывающимися с различных плохо обтекаемых элементов контура аэродинамической трубы (вентиляторная установка, коллектор, диффузор, поворотные колена). Среди основных видов неравномерности потока, которые могут возникнуть в аэродинамической трубе, выделяют следующие [8]: ■ пространственная неравномерность, которая характеризуется различием скорости потока как в пределах одного поперечного сечения, так и при переходе от сечения к сечению вдоль трубы. Пространственная неравномерность, как правило, вызвана отрывами потока на элементах контура трубы;
■ закрутка потока, вызванная вращением вентиляторной установки. Закрутка потока бывает значительной в аэродинамических трубах с одним вентилятором. В результате направление и величина скорости в различных точках поперечного сечения оказываются различными. Закрутку потока можно ликвидировать за счет установки спрямляющего аппарата, который представляет собой набор несущих поверхностей. Угол атаки этих поверхностей выставляют таким образом, чтобы скос потока в одном направлении нейтрализовался скосом потока в другую сторону. Также закрутка потока хорошо устраняется за счет установки хонейкомба;
■ низкочастотные пульсации, которые вызывают изменение величины скорости в точке измерения от времени. Данные пульсации обычно автоматически исчезают, когда устранены прочие неравномерности;
■ турбулентность потока, которая все равно присутствует в потоке, т.к. даже в равномерном потоке имеются небольшие завихрения. Обеспечение малой начальной турбулентности потока в рабочей части трубы является не менее важной, но значительно более сложной задачей при создании аэродинамической трубы.
Для создания в рабочей части ЛАТ равномерного потока с относительно небольшой степенью турбулентности в ее контуре использовались следующие элементы (рис. 4):
■ спрямляющие аппараты вентиляторной установки;
■ коллекторы и диффузоры вентиляторной установки;
■ поворотные лопатки;
■ хонейкомб.
Спрямляющий аппарат устанавливался непосредственно за вентилятором каждой из 7 вентиляторных установок. Его основное назначение заключалось в устранении закрутки потока от вентилятора.
Для плавного сопряжения самих вентиляторных установок между собой и с поверхностями обратного канала применены коллекторы и диффузоры. Поскольку вентиляторные установки размещены в обратном канале, они имеют чуть меньший размер, поэтому разогнанный ими поток на выходе попадает в обратный канал с большей площадью и претерпевает резкое расширение. Для предотвращения резкого расширения потока и уменьшения потери полного давления в ЛАТ применены диффузоры.
Рис. 7.Значение коэффициента поля в плоскости над поворотным кругом
Fig. 7. Field coefficient in the plane above the turntable
-i- - I- -Ç
В ЛАТ, как и в других установках с замкнутым контуром, поток поворачивает на 360°. Этот поворот осуществляется в четырех коленах на 90° в каждом. Поворотные колена должны быть точно рассчитаны и иметь поворотные лопатки, т. к. в этих областях могут быть существенные потери полного давления, а также может образовываться значительная неустойчивость и турбулентность потока. Расчет и проектирование поворотных колен был широко изучен в XX веке в процессе создания большого количества авиационных аэродинамических труб. В литературе [8-10] даны зависимости изменения коэффициента сопротивления колена от радиуса поворота, ширины и высоты канала, а также сформулированы рекомендации по выбору оптимальных пропорций. Также широко описаны принципы оптимального выбора геометрии и количества поворотных лопаток. Хорошей формой поворотной лопатки считается крыловой профиль [9]. Подбор и проектирование поворотных колен и поворотных лопаток для ЛАТ осуществлялись в соответствии с этими рекомендациями.
С целью уменьшения турбулентных пульсаций перед рабочей частью ЛАТ установлен хонейкомб, который представляет собой ячеистую конструкцию. Ячейка хонейкомба имеет форму квадрата 30^30 мм с толщиной образующей 0,5 мм. В литературе, посвященной проектированию аэродинамических труб, рекомендуется использовать хоней-комбы с длиной ячейки от 100 до 300 мм. Чем больше длина ячейки, тем эффективнее хонейкомб гасит турбулентность потока. Однако в ячейках, превышающих рекомендованные значения длины, нарастающий пограничный слой смыкается, и гидравлическое сопротивление существенно возрастает, поэтому длина ячейки хонейкомба в ЛАТ составляет 300 мм.
Коэффициент поля скорости в ландшафтной аэродинамической трубе. Для определения характеристик потока в рабочей части ЛАТ были проведены измерения с помощью пятиточечного зонда и термоанемометра. Измерения проводились в трех вертикальных плоскостях, расположенных перпен-
дикулярно направлению воздушного потока. Размеры и положения измеряемых плоскостей определялись габаритами области возможных перемещений координатного устройства. Данные по первым измерениям поля показали отсутствие какой-либо остаточной закрутки потока от вентиляторных установок, однако поток был несколько ускорен вблизи пола и подторможен вблизи потолка рабочей части. Для устранения этой неравномерности проводились поворот направляющих лопаток и повторное измерение характеристик потока. После нескольких подобных итераций был получен достаточно равномерный для подобных экспериментальных установок поток в рабочей части. На рис. 7 приведено распределение коэффициента поля для вертикальной плоскости, расположенной над центром поворотного круга перпендикулярно потоку. Значение коэффициента поля потока в каждой точке определялось по формуле
ц = 1 + (V, - Кср)/Кср,
где V, - значение скорости в ,-й точке плоскости; Уср - среднее значение скорости, посчитанное по всей плоскости измерения.
Регулировка скорости потока. Для плавной регулировки скорости потока в ЛАТ используются частотные приводы для управления каждым гон-ным двигателем. Это позволяет регулировать вращение двигателей в диапазоне значений 50-1500 оборотов с шагом 1 оборот. Таким образом, в ЛАТ имеется возможность задавать стабильную во времени скорость потока до 14 м/с с шагом регулировки 0,1 м/с. Это относительно небольшие значения скорости, но при этом необходимые: изменения с маленьким шагом нужны для исследований большепролетных мостов. Поскольку каждый гон-ный двигатель имеет индивидуальную систему регулировки оборотов, то можно задать неравномерное вращение на всех 7 импеллерах и таким образом создать градиент скорости по ширине рабочего канала. В связи с малой инерционностью также есть возможность синхронно и быстро изменять вращение всех двигателей во времени, тем самым
имитируя порывы ветра. В настоящее время к задаче по изучению влияния ураганных порывов на вантовые конструкции (мосты, подвесные крыши стадионов) и сверхвысокие небоскребы за рубежом проявляется наибольший интерес.
Примеры исследований
Examples of studies
За последние 3 года в ЛАТ проведены исследования более 25 проектов, среди которых Крымский мост, стадион «Санкт-Петербург», ледокол «Лидер» и прочие известные в России проекты, а также работы для заказчиков из Европы, Китая и Японии.
В традиционной для судостроения области выполнено исследование аэродинамических характеристик надводной части проектируемого самого
Рис. 8. Модель стадиона «Санкт-Петербург» в рабочей части ландшафтной аэродинамической трубы
Fig. 8. A model of St. Petersburg stadium in the test section of Landscape Wind Tunnel
Рис. 9. Упругоподобная модель арок Крымского моста. Исследование аэродинамической устойчивости для стадии эксплуатации
Fig. 9. Elastically similar model of the Crimean bridge arches. Aerodynamical stability study for the operational stage
мощного в мире ледокола «Лидер» мощностью 120 МВт (рис. 4). Особенностью ледокола является развитая многоэтажная надстройка и большая высота борта. Поэтому для него были проведены исследования по определению аэродинамических сил на надводной части судна и решение задачи безопасности посадки вертолета. Данные исследования выполнялась с учетом моделирования профиля скорости и выявили существенные ограничения по скорости ветра на безопасное использование некоторых видов штатных вертолетов, а также позволили предложить конструктивные решения для расширения погодного окна с целью безопасного использования штатной вертолетной техники.
Весьма интересный опыт исследования высотных сооружений был получен в ходе продувок для определения максимальных пиковых ветровых нагрузок на крыше стадиона «Санкт-Петербург» (рис. 8). Дело в том, что стадион расположен на берегу залива и подвержен достаточно сильным ветрам, при этом его крыша подвешена при помощи вант на 8 пилонах, поэтому порывы ветра для данного сооружения представляют определенную опасность. Помимо прочего, по проекту вблизи стадиона предполагалось строительство металлического флагштока высотой 105 м, который должен был нести флаг размером 30*20 м. Флагшток является гибким и восприимчивым к нестационарным аэродинамическим нагрузкам, а также к возникновению аэроупругой неустойчивости типа «вихревое возбуждение», поэтому в ЛАТ прошли подробные исследования. Полученные экспериментальные данные являлись исходными для динамического расчета, в результате которого были определены максимально возможные амплитуды колебаний, ускорения и напряжения в конструкции как крыши стадиона, так и флагштока.
Наиболее знаковым из проектов по аэродинамике мостов стали комплексные исследования аэродинамической устойчивости арок Крымского моста (рис. 9). Исследование аэродинамической устойчивости моста в первую очередь было направлено на исследование таких явлений, как вихревое возбуждение и бафтинг. Вихревое возбуждение - это наиболее часто встречающиеся колебания мостов, вызванные совпадением аэродинамической частоты срыва вихрей с пролета моста с его собственной частотой. Бафтинг - аэроупругие колебания конструкции, расположенной в аэродинамическом следе за подобной конструкцией: арки расположены друг за другом, и одна всегда будет в аэродинамическом следе за другой.
Для проведения исследований изготовлены упругоподобные модели арок в масштабе 1:60, которые воспроизводили все основные жесткост-ные и инерционные характеристики натурной конструкции. В процессе проведения большого цикла исследований рассматривались все возможные направления и скорости ветра, вплоть до урагана с повторяемостью 1 раз в 100 лет. Программа испытаний включала все возможные условия эксплуатации моста: пустой мост, со стандартным автотрафиком, пробка из машин, наличие железнодорожного состава, наличие снеговых заносов на перильных и барьерных ограждениях и всевозможные сочетания этих параметров. Все эти факторы учитывались, т.к. они оказывают значительное влияние на аэродинамические характеристики пролетного строения моста.
В результате исследований в исходном варианте были обнаружены большие вертикальные колебания пролета автодорожной арки из-за вихревого возбуждения, превышающие допустимый уровень. Для решения этой проблемы специалистами лаборатории аэродинамики были разработаны специальные обтекатели на балку жесткости пролетного строения, которые полностью устранили опасные колебания (рис. 10). Предложенные устройства относятся к так называемому пассивному методу борьбы с колебаниями; они, в отличие от активных демпферов, изменяют структуру аэродинамического обтекания моста и тем самым борются с причиной возникающих колебаний, а не с ее последствиями. Следует отметить, что разработанные в КГНЦ обтекатели просты в изготовлении, монтаже и не требуют последующего обслуживания, поэтому они были утверждены в итоговом проекте, изготовлены и смонтированы на пролетном строении.
Заключение
Conclusion
В последнее время в мире растет количество уникальных проектов сооружений, для которых ветровая нагрузка является одним из главных факторов. Аэродинамические исследования подобных объектов проводят в специализированных аэродинамических трубах с учетом моделирования пограничного слоя атмосферы на моделях крупного масштаба. В КГНЦ создана первая в России ландшафтная аэродинамическая труба. Размеры ее рабочей части и оснащение современным технологическим и измерительным оборудованием позволяют выполнять прикладные исследования на самом высоком миро-
Рис. 10. Установка обтекателей, разработанных в Крыловском центре, на арку Крымского моста
Fig. 10. Installation of Krylov State Research Centre-developed fairings to the arch of the Crimean bridge
вом уровне как минимум в трех отраслях: судостроение, мостостроение, градостроительство.
В статье приведены описание и обоснования назначения технических параметров ЛАТ, которые позволяют исследовать ветровые нагрузки и аэродинамическую устойчивость на крупных моделях судов и сооружений (зданий, морских платформ, мостов и т.д.) с учетом моделирования ПСА.
За последние 3 года в ландшафтной аэродинамической трубе выполнены исследования более 25 проектов. В качестве примеров объектов исследований приведены Крымский мост, стадион «Санкт-Петербург», ледокол «Лидер».
Библиографический список
1. Казакевич М.И. Аэродинамика инженерных сооружений. М.: ОАО «Институт Гипростроймост», 2014.
2. Соловьев С.Ю. Аэродинамическая устойчивость большепролетных мостов // Транспорт Российской Федерации. 2016. № 5(66). С. 38-41.
3. СП 20.13330.2016. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. М., 2016.
4. Eurocode 1: Actions on structures. Part 1-4: General actions - Wind actions. European Committee for standardization, 2010.
5. Пашин В.М., Апполонов Е.М., Поляков Ю.Н., Га-нин С.М., Кайтанов Ю.С., Лобачев М.П., Сергеев В.В. Комплексная оценка размещения портовой инфраструктуры на примере порта для отгрузки сжиженного природного газа в Териберской губе // Труды Крыловского государственного научного центра. 2012. № 70(354). С. 5-28.
6. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. М.: Стройиздат, 1978.
7. Соловьев С.Ю., Храпунов Е.Ф. Моделирование энергетических характеристик пограничного слоя атмосферы // Вестник СПбГУ. Математика. Механика. Астрономия. 2018. Т. 5(63). Вып. 4. С. 689-700.
8. Пэнкхерст Р., ХолдерД. Техника эксперимента в аэродинамических трубах / под ред. Попова С.Г. М.: Иностранная литература, 1955.
9. Горлин С.М. Экспериментальная аэромеханика. М.: Высшая школа, 1970.
10. ПовхИ.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. М.: Машиностроение, 1974.
References
1. M. Kazakevich. Aerodynamics of engineering structures. Moscow, 2014 (in Russian).
2. S. Solovev. Aerodynamic stability of long-span bridges // Transport Rossiyskoy Federatsii (Rostransport). 2016. No. 5(66). P. 38-41 (in Russian).
3. Construction Rules SP 20.13330.2016. Actions and loads. Updated edition of Construction Rules & Regulations SNiP 2.01.07-85*. Moscow, 2016 (in Russian).
4. Eurocode 1: Actions on structures. Part 1-4: General actions - Wind actions. European Committee for standardization, 2010.
5. V. Pashin, E. Appolonov, Yu. Polyakov, S. Ganin, Yu. Kaitanov, M. Lobachev, V. Sergeev. Integral assessment of port infrastructure locations. Case study: LNG dispatch terminal in Teriberka Bay // Transactions of the Krylov State Research Centre. 2012. Issue 70(354). P. 5-28 (in Russian).
6. Handbook of wind load calculations for buildings and structures. Moscow: Stroyizdat, 1978 (in Russian).
7. S. Solovev, Ye. Khrapunov. Simulation of energy parameters for boundary atmospheric layer // Vestnik of St. Petersburg University. Mathematics. Mechanics. Astronomy. 2018. Vol. 5(63). Issue 4. P. 689-700 (in Russian).
8. R. Pankhurst, D. Holder. Wind Tunnel Technique Under editorship of S. Popov. Moscow: Foreign Language Publishing House, 1955 (Russian translation).
9. S. Gorlin. Experimental aeromechanics. Moscow: Vyshaya shkola, 1970 (in Russian).
10. I. Povkh. Wind tunnel experiments in mechanical engineering. Moscow: Mashinostroyeniye, 1974 (in Russian).
Сведения об авторе
Соловьев Сергей Юрьевич, к.ф.-м.н., заместитель начальника отделения гидроаэродинамики ФГУП «Крылов-ский государственный научный центр». Адрес: 196158, Россия, Санкт-Петербург, Московское шоссе, 44. Тел.: +7 (906) 251-23-10. E-mail: [email protected].
About the author
Sergey Yu. Solovev, Cand. Sci. (Eng.), Deputy Head of Hydroaerodynamics Division, Krylov State Research Centre. Address: 44, Moskovskoye sh., St. Petersburg, Russia, post code 196158. Tel.: +7 (906) 251-23-10. E-mail: [email protected].
Поступила / Received: 14.11.18 Принята в печать / Accepted: 17.05.19 © Соловьев С.Ю., 2019
