Расчётные и экспериментальные исследования обтекания высотных зданий и сооружений атмосферным ветром в условиях городской застройки Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 533.6.07; 533.68; 532.527

А. Б. Айрапетов1, В. В. Вышинский2'3, А. В. Катунин1'2

1 Научно-исследовательский Московский комплекс Центрального аэрогидродинамического

института им. проф. Н. Е. Жуковского 2 Московский физико-технический институт (государственный университет) 3Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н. Е. Жуковского

Расчётные и экспериментальные исследования обтекания высотных зданий и сооружений

1 о о

атмосферным ветром в условиях городской застроики

Приведена методика проведения экспериментальных исследований обтекания моделей высотных зданий в условиях окружающей застройки в аэродинамической трубе Т-1-2 ЦАГИ в условиях приземного ветрового профиля и в равномерном потоке в рамках требований нормативной базы.

Ключевые слова: методика эксперимента в аэродинамических трубах, моделирование обтекания зданий и сооружений, приземный ветровой слой, вычислительная аэродинамика.

A. V. Airapetov1, V. V. Vyshinsky2'3, A. V. Katunin1'2

Scientific Research Complex of N. E. Zhukovsky Central Aerohydrodynamic Institute 2 Moscow Institute of Physics and Technology (State University) 3N. E. Zhukovsky Central Aerohydrodynamic Institute

Numerical and experimental research of hight-rise buildings and structures aerodynamics in the presence of environmental building

The methodology of TsAGI's T-1-2 wind tunnel testing of the high-rise building models aerodynamics in presence of environmental building in case of near ground wind profile and uniform stream within the requirements of the regulatory framework is given.

Key words: wind-tunnel experiment methodology, simulation of buildings and structures aerodinamics, ground wind layer, computational fluid dinamics.

1. Введение

Проектирование и строительство в современных высотных (выше 75 м) зданий, имеющих с аэродинамической точки зрения уникальные архитектурные формы (в том числе многокорпусность), регламентируется нормами [1]. В части ветровых нагрузок и воздействий нормы предписывают получение в модельном аэродинамическом эксперименте в специализированных аэродинамических трубах (АДТ):

- статических интегральных нагрузок на здание;

- распределенных средних и мгновенных (пиковых) нагрузок на поверхности здания (вентилируемые фасадные системы);

- характеристик аэроупругих колебаний здания в случае, если отношение высоты здания к характерному поперечному размеру h/D > 7.

Требование экспериментального определения перечисленных характеристик диктуется невозможностью их получения расчетным путем с точностью и достоверностью, достаточной для безопасного жилого строительства.

Специализированные АДТ должны обеспечить возможность реализации в них режима потока типа приземного ветрового слоя (ПВС) с определенным профилем средней скорости по высоте. При этом размеры рабочей части АДТ должен обеспечивать размер моделей, достаточный для реализации «автомодельного» режима обтекания, т.е. независимость

УооБ

аэродинамических характеристик от числа Рейнольдса: Ив = -, где — скорость по-

V

тока, где О — характерный поперечный размер модели, V — коэффициент кинематической вязкости.

Именно реализация автомодельного режима позволяет получать в модельном эксперименте натурные значения аэродинамических коэффициентов без пересчета «на натуру». Нижняя граница значения числа Ив по опыту исследования обтекания плохообтекаемых объектов [2] составляет порядка 2 • 105. Это исключает возможность применения «комнатных» АДТ с характерным размером моделей в несколько сантиметров.

В настоящей работе показана основанная на интенсивных предварительных расчётах средствами вычислительной аэродинамики технология экспериментального определения аэродинамических характеристик высотных зданий и сооружений в условиях городской застройки (рельефа местности) [3].

2. Математическая модель: объект и система расчёта

В качестве объекта исследования рассмотрено проектируемое для строительства в Москве высотное здание (рис. 1).

Рис. 1. Проектируемое высотное здание

Математическое моделирование предоставляет возможность предварительного анализа характера и структуры обтекания здания ветровым потоком, а также рационального определения масштаба модели для АДТ, степени влияния окружающей застройки (городского ландшафта) на исследуемый объект и величины наиболее критичных углов направления ветра. Более подробное описание данной методики может быть найдено в работе [3].

В соответствии с методикой проведена серия расчётов в рамках краевой задачи для стационарных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса с ББТ-моделью замыкания, описывающих течение вязкой несжимаемой жидкости. Набегающий поток имеет заданный профиль скорости приземного ветра. Для проведения расчетов построена блочная структурированная сетка с призматическим подслоем на поверхности земли, состоящим из 20 ячеек, имеющим высоту первой ячейки 0.01 м и коэффициент роста ячеек 1.2. Общий объем сетки составляет 5 млн ячеек, притом около половины приходится на призмати-

ческий подслой. Технология проведения расчётных исследований изложена в [4], пример моделирования атмосферного течения над горным ландшафтом приведен в работе [5].

При решении задачи все переменные приведены к безразмерному виду. Расчет проводился до выхода величин интегральных осредненных нагрузок на стационарные значения. За характерные линейный размер и скорость приняты Б = 27 м, У^ = 20 м/с, так что Ив = 2 • 105. При таких значениях течение автомодельно по числам Рейнольдса.

На рис. 2 приведён общий вид высотного комплекса и окружающей застройки, а на рис. 3 приведены пять направлений ветра, для которых проводился подробный сравнительный анализ.

В табл. 1 представлены сравнительные значения коэффициентов сопротивления Сх и боковой силы Су для здания при наличии полной окружающей застройки и для здания с сокращёным вариантом застройки, когда сохраняется только ближайшее здание, Сх упр и

Су упр.

Из сравнения видно, что отброшенная часть окружающей застройки не вносит существенного искажения в интегральные аэродинамические характеристики проектируемого высотного здания, в связи с чем в состав модели в масштабе 1:130 было включено ближайшее здание, изображённое на проектном эскизе (рис. 1). Максимальное загромождение рабочей части при этом составило 9,5%.

Рис. 2. Заложенная в расчёт геометрия высотного здания и окружающей застройки

Рис. 3. Направления ветра, при которых получены эпюры

Сравнение интегральных характеристик

Таблица1

Направление 1 2 3 4 5

Сх 0,50 0,24 1,14 1,01 0,45

Су 0,28 0,69 0,10 0,08 -0,94

Схупр 0,50 ,260 1,18 1,07 0,49

Су упР 0,22 1,02 0,13 0,09 -0,77

3. Модели и методика эксперимента

Модели комплекса зданий для испытаний в АДТ Т-1-2 ЦАГИ представляют собой исследуемое и ближайшее к нему здания застройки в масштабе 1:130 для измерения средних статических сил и моментов на прецизионных рычажно-рейтерных весах АВТ-1 (рис. 4, 5) и распределенных нагрузок на поверхность здания - средних и пульсационных характеристик давления.

Система организации ПВС в АДТ Т-1-2 с двумя рабочими частями Т1 и Т2 ЦАГИ является уникальной, поскольку не содержит традиционной системы неравномерного загромождения поперечного сечения трубы (пирамиды, сетки и т.д.) для создания верти-

кального градиентного профиля средней скорости. Последний образуется в рабочей части АДТ-2 при работе трубы в полной конфигурации Т1/Т2 в диффузорном течении между рабочими частями Т1 и Т2 с системой «макрошероховатостей» на длине 50-60 м. Типичные профили средней скорости и интенсивности турбулентности по высоте приведены на рис. 6.

Рис. 4. Заложенная в расчёт геометрия высотно- Рис. 5. Направления ветра, при которых получего здания и окружающей застройки ны эпюры

- ♦

(

< 6 0 1 0. 0 0 2 0. !5 0 Ъ 0 ¡5 е

«

<Ш5 ?? хш №

а) б)

Рис. 6. Типичные профили средней скорости и интенсивности турбулентности по высоте

Средние аэродинамические нагрузки - лобовое сопротивление X, боковая сила У и крутящий момент М* - определялись на автоматических рычажно-рейтерных весах АВТ-1 со струнной подвеской модели. На подвеске крепилась «взвешиваемая» модель, не имеющая механической связи с моделью здания застройки, расположенной на круговом экране. При повороте модели на поворотном устройстве весов на очередной угол в на этот же угол поворачивался экран с моделью здания застройки, формирующей, таким образом, точное моделирование течения при любом угле ветра.

Аэродинамические коэффициенты соответствующих сил и момента определялись соотношениями

* _ Ру2

С = X С = У = м =

Сх = дБ' Су = дБ' т* = дБЪ ' д =

2

где У»— скорость на верхней границе ПВС или на входе в рабочую часть АДТ, Б = ЪН - характерная площадь модели; Ъ - характерный поперечный размер (ширина по острым углам здания); Н - высота модели. Для комплекса моделей масштаба 1:130: Н = 0, 97 м, Ъ = 0, 62 м, Б = 0, 6 м2. Определение нагрузок на натурный объект осуществляется по полученным натурным значениям коэффициентов путем «обращения» вышеприведенных формул: X = СхдБ, У = СудБ, М* = тхдБ. Эпюра нагрузок в сечениях по высоте, например, X получается с использованием коэффициента и значения скорости на данной

высоте Л:

X(Л) = СхЗР^У»' .

На рис. 7 показана зависимость коэффициента лобового сопротивления Сх здания от скорости У<х для углов ветра в = 225° (верхняя кривая) и 315° (нижняя кривая). Начиная со скорости 10 м/с, величина остаётся неизменной, т.е. режим автомодельности имеет место при Уж > 10 м/с. На основании чего выбрана рабочая скорость потока Уж = 20 м/с.

Рис. 7. Зависимость Cx(VTO)

Модель здания оборудована на четырех уровнях, соответствующих натурным высотам 25, 55, 90, 125 м, датчиками давления для измерения средних и мгновенных значений давления, Измерение давления производилось при тех же углах в, что и весовой эксперимент. Использовались внутримодельные дифференциальные датчики полного давления фирмы FREESCALE MPXV 5004D (максимальное давление 4 кПа), сигналы которых через аналогово-цифровой преобразователь фирмы National Instruments NI USB-6009 передавались на компьютерную обработку с выдачей данных в темпе эксперимента.

4. Результаты испытаний

Результаты измерений аэродинамических коэффициентов сопротивления Сх, боковой силы Су и крутящего момента шх для здания в зависимости от угла в приведены на рис. 8-10. На рис. 11 приведен фактор неустойчивости галопирования Ден-Гартога

Б = Сх + СУ.

Рис. 8. Зависимость Сх(в) Рис. 9. Зависимость Су(в)

Анализ результатов экспериментов позволяет выявить следующие характерные особенности аэродинамического нагружения:

— обтекание здания по характеру качественно близко к крылу самолёта низкого аэродинамического качества с заостренными передней и задней кромками, в связи с чем наличие

большой боковой (нормальной направлению ветра) силы Су ~ 1 является естественным, так же как и очень большие величины локального разрежения (Ср ~ —3, 5) на небольших участках фасадных поверхностей и острых кромок;

— максимумы боковой силы по в приходятся на минимумы силы сопротивления Сх , в результате чего максимальная результирующая аэродинамическая сила Сг = (СХ + С2)1/2 не превосходит значения 1,15 . На это значение целесообразно ориентироваться при оценке нагрузок по требованиям СНиП;

— влияние здания застройки отчетливо видно из сравнения наветренного (в ~ 90°) и подветренного (в ~ 270°) направлений: здание заметно «затеняет» проявление боковой силы;

— фактор неустойчивости галопирования Ден-Гартога О = Сх+Су для здания положителен во всей области изменения в, за исключением сектора углов ветра в около 45° и 270°, где величина О ~ 1. Это означает, что в указанном диапазоне углов ветра существуют необходимые (но недостаточные) условия аэродинамической неустойчивости галопирования. Анализ этой ситуации с использованием специального динамического колебательного стенда не входил в поставленную задачу в связи с тем, что удлинение здания менее 7 [1].

2 -------_-

0,5----—Ц----¡1--V

-0,5 - \ -7 ---Л-J--

-1,5 J--------

О 45 90 135 180 225 270 315 360

Рис. 11. Зависимость D(ß)

При обработке сигнала мгновенного давления p(t) получены коэффициенты статического давления Р, cp = (p — p^)/q; среднеквадратичные пульсации давления pf2 = (p — p)2; пиковые значения реализации pmax и pmin. Среди общих закономерностей распределенного нагружения следует отметить:

— наличие зон торможения потока на нормальных потоку участках поверхности зданий с характерными величинами коэффициента давления Cp ~ 1;

— наличие обширных застойных зон с характерными Cp ~ —0, 5;

— наличие небольших (3-5% длин сторон сечения) локальных зон ускоренного течения около острых углов здания с характерными значениями Cp ~ —3, 5;

— практическую неизменность коэффициента среднего давления Cp по высоте здания;

— умеренную интенсификацию пульсационной картины течения по высоте здания от нулевого уровня до крыши;

— практическое отсутствие влияния ПВС на характеристики давления на рассмотренных высотах h = 55 ми h = 90 м, обнаруженное при сравнительных испытаниях с ПВС и в равномерном потоке. На уровне, соответствующем натурной высоте 25 м, отличия достигают 15% в меньшую сторону в присутствии ПВС.

Сложная архитектурная форма здания приводит к зрительно сложной и далекой от практической необходимости информации по распределению давления для значений углов ветра из всего кругового диапазона от 0° до 360°. Эпюры давления показывают, что при рассмотрении массива данных для множества углов ветра в круговом диапазоне в каждой точке поверхности с очевидностью можно обнаружить с высокой вероятностью любое значение Cp от Cp max до Cp min.

цэ

-0,3 --------

О 45 90 135 180 225 270 315 360

Рис. 10. Зависимость mz(ß)

Поскольку в эксперименте непосредственно получены значения интегральных нагрузок, необходимость в использовании для их оценки процедуры интегрирования по поверхности зданий распределений давления отсутствует. Таким образом, использование характеристик распределений давления представляется необходимым только для анализа локального на-гружения элементов фасадных систем.

В связи с однородностью структуры фасадных систем на поверхности здания и отсутствием нормативных требований по оценке нагрузок на отдельных выделенных элементах фасадной системы задача по локализации экстремальных локальных нагрузок не рассматривалась.

В качестве практических показателей для проектирования фасадных систем могут быть назначены предельные - максимальные и минимальные - значения указанных характеристик распределения давления по множеству всех внешних параметров испытаний - углам и точкам на поверхности зданий, которые приведены в табл. 2.

Таблица2

Сравнение интегральных характеристик

Cp max Cp min Vv'^nax/q Pmax P<x q pmin P<x q

Основные участки 1,0 -0,6 0,09 1,15 -0,85

поверхности здания

Области острых -3,5 0,22 -0,7

углов

5. Заключение

1) Аэродинамические коэффициенты сил и моментов, характеристики среднего и пуль-сационного давления, полученные в работе, соответствуют натурным и могут быть использованы при проектных расчетах зданий на ветровые нагрузки.

2) При учёте ветрового нагружения по СНиП 2.01.07-85 нормативные значения средней составляющей ветровой нагрузки по высоте здания в терминах СНиП 2.01.07-85 определяются по формуле главы 6 с использованием аэродинамического коэффициента C (максимальное значение Cr для исследуемого объекта) для здания с = 1,15. Т.е. нормативное значение средней составляющей интегральной ветровой нагрузки wm определяется как wm = 1,15 w0k, где w0 - нормативное значение ветрового давления; k - коэффициент, берущийся из таблицы 6.2 СНиП 2.01.07-85.

3) Уровень средних нагрузок разрежения в небольших областях, примыкающих к острым углам здания, существенно превосходит средний уровень на остальной поверхности, что целесообразно учесть при расчете элементов фасадной системы в непосредственной близости от углов зданий.

Литература

1. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия. СНиП 2.01.07-85. М., 2003.

2. Айрапетов А.Б. Методические принципы моделирования аэродинамики высотных зданий в аэродинамических трубах. Современное высотное строительство. М., 2007. С. 292-294.

3. Айрапетов А.Б. Новые аспекты аэродинамики ветрового нагружения высотных зданий в мегаполисе, новые подходы и методические принципы исследований // Academia. Архитектура и строительство. 2010. № 3. С. 582-584.

4. Вышинский В.В., Судаков Г.Г. Применение численных методов в задачах аэродинамического проектирования. М.: ЦАГИ, 2007.

5. Вышинский В.В., Кудров М.А. Моделирование атмосферных течений над горным рельефом // Труды МФТИ. 2015. Т. 7, № 3. С. 11-17.

References

1. Building regulations. Loads and impacts. BR 2.01.07-85. М., 2003.

2. Airapetov A.B. Methodical principles of high-rise buildings aerodynamics simulation in the wind tunnel. Modern high-rise building. M., 2007. P. 292-294.

3. Airapetov A.B. New aspects of wind loaded aerodinamics of hight-rise duildings in metropolis, new approaches and methodical investigation principals. Academia. 2010, № 3. P 582-584.

4. Vyshinsky V.V., Sudakov G.G. Application of computational methods in aerodinamic design problems. M.:TsAGI 2007.

5. Vyshinsky V.V., Kudrov M.A Simulation of atmospheric flows over mountain revief. Proceedings of MIPT. 2015. V. 7, N 3. P 11-17.

Поступила в редакцию 09.03.2017