CC BY
13Рациональность численного моделирования воздействия ветра на сооружения в упрощенной постановке
о см о см
о ш т
X
<
т О X X
Солянник Павел Евгеньевич
студент, инженерно-строительное отделение, Дальневосточный федеральный университет, [email protected]
Матвиенко Вероника Дмитриевна
студент, департамент архитектуры и дизайна, Дальневосточный федеральный университет, [email protected]
Грузков Александр Артурович
студент, инженерно-строительное отделение, Дальневосточный федеральный университет, [email protected]
Вернин Никита Александрович
студент, инженерно-строительное отделение, Дальневосточный федеральный университет, [email protected]
Целью статьи является определение рациональности численного моделирования воздействия ветра на сооружения в упрощенной постановке. Путем изучения нормативной базы строительства, была обозначена основная горизонтальная нагрузка, действующая на здания или сооружения. Определена рациональность использования численного моделирования ветровых воздействий на здания и сооружения. Перечислены основные этапы расчета зданий и сооружений на ветровые воздействия в программных комплексах. Описаны основные параметры оценки дискретизации модели. Определена степень дискретизации пристеночных областей. Определены рациональные граничные условия исследуемой области. Проведено сравнение расчетных давлений, полученных с помощью численного моделирования и рассчитанных по нормативной базе строительства. Как итог, определена рациональность исследования в упрощенной постановке и выявлены основные причины, повлиявшие на конечный результат решения. Ключевые слова: ветровое давление, численное моделирование, скорость ветра, ветровое воздействие.
Ветровое воздействие является основной горизонтальной нагрузкой на здания и сооружения. Поэтому точная оценка данного фактора очень важна.
Численное моделирование воздействия ветра, может сократить затраты на строительство, в частности на продувку в аэротрубе возводимого сооружения, в разы. При этом,численное моделирование в нестационарной постановке машиноемко - требуются компьютеры высокой производительности. Изучим вопрос в стационарной постановке и определим рациональность данного варианта.
Для рассмотрения вопроса будем использовать программный комплекс Апбуб [1]. В частности, модуль Апбуб CFX, предназначенный для расчета задач в области гидрогазодинамики.
Согласно [2] можно выделить следующие этапы расчета:
1. Создание исходной геометрической модели:
2. Создание геометрической модели воздушного пространства.
3. Дискретизация модели (разбивка на конечные элементы).
4. Загрузка в Апбуб CFX. Задание граничных условий, моделей турбулентности и параметров расчета (в рамках модуля CFX/Pre).
5. Расчет с использованием CFX/Solver.
6. Обработка результатов в CFX/PoБt.
На основе изложенных этапов произведем стационарный расчет воздействия ветра на высотное сооружение.
В рамках исследовательской работы расчет будем производить для одного направления ветра ввиду длительного решения задачи.
В качестве примера будем рассматривать условную застройку без учета топографии местности.
1. Создание исходной геометрической модели:
За исходный объект принято высотное здание нестандартной формы (отличной от простейших) с геометрическими параметрами: Н=150 м, размеры в плане 30х30 м.
Сооружение было смоделировано 2 классом точности, в котором учтены основные геометрические параметры сооружения, без детальной проработки конструкции фасада.
Далее было произведено моделирование условной городской застройки вблизи сооружения.
2. Создание геометрической модели воздушного пространства
Размеры расчетной области (воздушного пространства) назначены согласно рекомендациям [2].
3. Дискретизация модели
Метод «мэширования» был выбран автоматическим.
В пристеночных областях (застройка) назначено сгущение сетки до размера ячейки 2,5 м, в области исследуемого сооружения сетка сгущалась до 1,5 м.
Рисунок 1 - Модель высотного сооружения
Качество сетки было оценено по трем показателям Orthogonal Angle (ортогональность), Aspect Ratio (пропорциональность), Expansion Factor (коэффициент роста).
Согласно рекомендациям, значения должны быть в пределах Orthogonality Angle >20°, Aspect Ratio < 100, Expansion Factor < 20;
Значением ОК обозначено «хорошее» значение параметра, ок - «приемлемое», ! - «сомнительное».
4. Загрузка в Ansys CFX. Задание граничных условий, моделей турбулентности и параметров расчета (в рамках модуля CFX/Pre)
Принятые параметры среды:
В расчете принята нейтральная стратификация атмосферы.
За материал среды принят воздух с температурой 25°С. Параметру Reference pressure (эталонное давление) присвоено значение 1 атм.
Модель турбулентности:
Моделью турбулентности принята модель Ментера -SST. Для расчета принята именно эта модель, т.к. она "универсальна" и эффективно функционирует для широкого класса сложных градиентных потоков.
Граничные условия:
Входные граничные условия:
На входные граничные условия назначался логарифмический профиль скорости
^ ^^ щ Динамическая скорость и, определялась с парамет-
рами, полученными в ходе статистической обработки записей ветра.
Рисунок 2 - Модель городской застройки Параметр шероховатости подстилающей поверхно-
сти принят z0 = 1,2 м.
Описание турбулентности на входной области производилось с помощью параметров интенсивности и масштаба вихрей (диссипации). Профили параметров назначены согласно «Guide for the assessment of wind actions and effects on structures» [3]. Значения для высот более 200 м назначались условно согласно функций /(z),L(z) (интенсивности и масштаба вихрей соответственно).
Граничные условия выхода:
В качестве условий «выхода» использованы «мягкие» открытые граничные условия.
Граничные условия верхней и боковых границах:
В качестве граничного условия на верхней и боковых Рисунок 3 - Расчетная модель границах применено условие симметрии, что обеспечивает максимальную идентичность потока по высоте и +--------------------------------------------------------------------+ ШИпИНе расчетной области.
S*C5"СЛ.3*СЛ-CS |
+--------------------------------------------------------------------+ Граничные условия сооружений и нижней границы:
I Рома», кате__________I Orthog. двдщ i Ещ, Faaoc i дзред и,,.^ I в качестве граничного условия сооружений и нижней
I Minimum [dig] I Maxim™ | Maxim™ | граНИЦЫ ПрИНЯТО уСЛОВИе Дирихле - ПОЛНОГО «ПрИЛИПЭ-
Го¡й^Го^п I зГГ;П ~i77r. ii"ok"! ния» сдвиговых напряжений.
5. Расчет с использованием CFX/Solver
I I ■%! %ok %ОК I %ok iOK | %! %ok iOK I ~ ~
+______________________+_______________+______________+______________+ Время расчета итогового варианта составило - 2
| Default Domain | G <1 100 | О <1 100 | О О 100 | ЧЭСЭ 25 МИНуТ
, „ . 6. Обработка результатов в CFX/Post. Построение
Рисунок 4 - Параметры расчетной сетки .
' f f f графиков, создание рисунков
Стоит отметить, что, если течение отрывное и объ- Вярезультате расч0та были получ ены значения дав-
ект плохообтекаемыЯ, смысла в уточненном моделиро- ления, котоРые можн о использовать для дальнеяшего
вании пограничного слоя нет, т.к. в нем (пограничном расчета с°°ружения.
слое) находится малый процент от общего сопротивле- Сравним з„нач®ния давления, полученных с помощью ' r ^ -1 г статистической обработки скоростей и компьютерного мо. делирования и значения получаемого по СП 20.13330.2016
U = 2,5ut ln
х
X
о го А с.
X
го m
о
2 О M
о
«Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования» [4]. Для сравнения выбрана область 1х1 м на высоте 140 м на наветренной стороне сооружения, т.к. другие варианты областей слабо сопоставимы с СП [4] ввиду отсутствия аэродинамических коэффициентов.
Таблица 1
Сравнение полученных значений давлений
№ п/п Источник w,Kna Д,%
1 СП [4] 1,021 33,79
2 Ansys CFX 1,542 -
о
CS
о
CS
О Ш
m
X
<
m О X X
Рисунок 5 - Изополя давлений
■5 997е+01 6 559e+Dl S.122b+C?1 . 5 G&5e*01
4 810t;+01 4.373?+01
3 9Э6в+01 ЗЧМе*01
я Э.061в*01 I 25?4e+Dl 2.>eie+0l
I 1.312G+01 а 746e+«
4 3734+D0 O.DMfl+OO
[m
Рисунок 6 - Значения скоростей (легенда представлена для вертикального плана)
1 ^ге+сз 1
.■ в.507й+02 | Б ШШМ
I 1 5Э9в+<Щ
■Т U>jL-IJ
I -3 0~nc*02 .5 338««!
1
I .9 9Jile.0J
■1 JS*4S -1 6№Ю} -1 31*5+03 -i.147etOJ
Ft]
Рисунок 7 - Расположение исследуемой области (выделена квардратом)
Произведем сравнение, полученных значений давлений в табличной форме. Превышение будем определять относительно давления, полученного в ходе компьютерного моделирования.
Проведенный анализ показал, что значения ветрового давления в зависимости от метода определения разнится на 34%. Данный результат показывает, что определение нормативного давления с помощью численного моделирования существенно повлияет на предельные значения усилий в элементах здания или сооружения в сторону их увеличения, следовательно, увеличивает затраты на строительство.
Произведем оценку полученной разницы. Вычислим скорость ветра для данных условий на высоте 140 м через параметры СП [4] и сравним с результатами, задаваемыми на входных условиях.
Произведем сравнение, полученных значений скоростей в табличной форме. Превышение будем определять относительно скорости, задаваемой на входные условия.
Таблица 2
№ п/п Источник V, м/с Д,%
1 СП [4] 46,13 10,23
2 Граничные условия 51,39 -
Определим значение давления согласно формуле СП [4] со значением скорости, заданном на граничном условии и сравним с полученным в программном комплексе.
Сравнение произведем в табличной форме. Превышение будем определять относительно давления, полученного в программном комплексе.
Таблица 3
№ п/п Источник w, кПа Д,%
1 СП [4] со значением скорости из граничных условий 1,268 17,77
2 Ansys CFX 1,542 -
Проведенный анализ показал, что значения давлений при одинаковых скоростях в зависимости от метода определения разнятся на 17%. Данная разница во многом может зависеть от формы сооружения, т.к. аэродинамический коэффициент принимался как для простейшей формы (параллелепипед). Также большое влияние оказывает смоделированная застройка, т.к. сооружения способны влиять на параметры течения вплоть до 6H (H - собственная высота).
Литература
1. ANSYS CFX-11.0 User Manual, ANSYS Inc., Canonsburg, USA, November 2006.
2. Белостоский А.М., Акимов П.А., Афанасьева И.Н. «Вычислительная аэродинамика в задачах строительства. Учебное пособие. - М.: Издательство АСВ, 2017. -720 с.
3. «Guide for the assessment of wind actions and effects on structures» - CNR-DT 207/2008 - ROMA - CNR June 11th, 2010.
4. СП 20.13330.2016 (Актуализированная версия СНиП 2.01.07-85*). Нагрузки и воздействия. Нормы проектирования. - М.: Минрегион России, 2016.
Rationality of numerical modeling of wind impact on structures
in a simplified formulation Solyannik P.E., Matvienko V.D., Gruzkov A.A., Vernin N.A.
Far Eastern Federal University
The purpose of the article is to determine the rationality of numerical modeling of wind impact on structures in a simplified formulation. By studying the regulatory framework of construction, the main horizontal load acting on buildings or structures was identified. The rationality of using numerical modeling of wind impacts on buildings and structures is determined. The main stages of calculating buildings and structures for wind impacts in software complexes are listed. The main parameters of the model discretization estimation are described. The degree of discretization of the wall regions is determined. Rational boundary conditions of the area under study are determined. The calculated pressures obtained using numerical modeling and calculated according to the construction regulatory framework are compared. As a result, the rationality of the study in a simplified formulation is determined and the main reasons that influenced the final result of the decision are identified. Keywords: wind pressure, numerical modeling, wind speed, wind impact.
References
1. ANSYS CFX-11.0 User Manual, ANSYS Inc., Canonsburg, USA,
November 2006.
2. Belostotskii A. M., Akimov P. A., Afanasiev I. N. "Computational
aerodynamics in the construction tasks. Textbook. - Moscow: publishing house DIA, 2017. - 720 p.
3. «Guide for the assessment of wind actions and effects on structures» - CNR-DT 207/2008 - ROMA - CNR June 11th, 2010.
4. SP 20.13330.2016 (Updated version of SNiP 2.01.07-85*). Loads
and impacts. Design Standards. - M.: Ministry of Regional Development of Russia, 2016.
X X О го А С.
X
го m
о
2 О
м о
