CONBi

"КОНБИ"

Научно-техническая компания

    effect
Главное | Публикации | AVI-галерея | Контакты  
Расчеты | Проектирование  
subglobal4
subglobal5 link | subglobal5 link | subglobal5 link | subglobal5 link | subglobal5 link | subglobal5 link | subglobal5 link
subglobal6 link | subglobal6 link | subglobal6 link | subglobal6 link | subglobal6 link | subglobal6 link | subglobal6 link
subglobal7 link | subglobal7 link | subglobal7 link | subglobal7 link | subglobal7 link | subglobal7 link | subglobal7 link
subglobal8 link | subglobal8 link | subglobal8 link | subglobal8 link | subglobal8 link | subglobal8 link | subglobal8 link
Главное
1. Определение среднего ветрового давления

1. Важным этапом при расчете сооружений на ветровую нагрузку является определение среднего ветрового давления. Это может потребовать испытания макета сооружения в аэродинамической трубе (рис.1).

Рис.1

При проектировании высотных зданий важно получить детальную картину обтекания их ветром. Воздействие ветра на высотное здание определяется рельефом местности, наличием зданий и сооружений, деревьями, а также объемно-пространственной структурой самого здания. При расчете учитываются такие характеристики, как скорость, направление и характер ветра, причем средняя скорость ветра, как правило, возрастает с высотой. Для крупных объектов сложной формы это задача в полном объеме не решается даже современными вычислительными средствами.

В мировой практике высотного строительства принята стратегия определения ветровых воздействий в два этапа: оценочного расчета воздействий и испытаний макета в аэродинамической трубе с оснащением его датчиками для статических и динамических измерений [1, 2, 3]. Этот же подход принят при разработке новых Московских городских строительных норм (МГСН 4.19-05 - "Многофункциональные высотные здания и комплексы") – расчеты должны быть основаны на результатах аэродинамических испытаний макетов (кроме одиночно стоящих высотных зданий простой формы).

Как правило, используют аэродинамические трубы разных конструкций и размеров, при этом считается, что испытания крупномасштабных моделей дают более детальную и точную картину ветрового воздействия. В аэродинамической трубе, в зависимости от поставленных задач, проверяются модели различного масштаба, например, 1:1250, 1:1500 или 1:500, определяются параметры давления на здание, влияние на окружающую среду, шум от ветра и другие показатели. Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) в России располагает аэродинамическими трубами (Т-101, Т-104), которые позволяют испытывать модели высотных зданий, включая окружающую застройку, в масштабах 1:50 - 1:100. Центральный научно-исследовательский институт имени академика А.Н.Крылова (ГНЦ РФ ФГУП «ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова») располагает большой аэродинамической трубой http://www.ksri.ru/rus/exp/hydro/aero.htm, предназначенной для определения гидро- и аэродинамических характеристик кораблей и судов, полей скорости, распределения давлений по поверхности тел, исследований структуры потока. Большая аэродинамическая труба представляет собой замкнутый канал с открытой рабочей частью, имеющей эллиптическое сечение размерами 4 х 2,3 м. Длина рабочей части трубы составляет 4 м. Максимальная скорость потока достигает 100 м/с.

Результаты, полученные при испытании в аэродинамической трубе, переносятся на реальный объект с различными коэффициентами точности.

Проблемы применения аэродинамических труб:

1. Необходимость создания макета сооружения с оснащением его датчиками для статических и динамических измерений.

2. Использование макетов в уменьшенном масштабе, применение закона подобия.

3. Создание крупных макетов и их испытания в трубах большого диаметра является сложной и дорогостоящей работой.

2. Для определения среднего давления используются аэродинамические параметры сооружения, в частности коэффициент лобового сопротивления. Все большее применение для определения аэродинамических параметров сооружения находят программы вычислительной гидродинамики CFD (ANSYS-CFX, FLUENT, STAR-CD, FLOW3D, и др.), основанные на численном решении систем уравнений движения жидкости/газа Навье-Стокса, предназначенные для решения широкого круга задач прикладной аэрогидродинамики и теплообмена. Применение [4, 5] пакетов такого уровня в практике строительных расчетов еще только начинается, поскольку они очень сложны и для их эффективного использования требуется длительный опыт и высокая квалификация инженеров.

Уравнения Навье-Стокса описывают ламинарное и турбулентное (рис.2) течение без необходимости в дополнительной информации. Однако турбулентное течение при реальном диапазоне чисел Рейнольдса, большой протяженности турбулентности и малого шага по времени, в целом затрагивает размерные масштабы много меньше, чем наименьшая конечно-объемная сетка, которая может быть практически использована в числовом анализе. Прямое численное моделирование DNS (Direct Numerical Simulation) турбулентного течения требует компьютерной мощности, величина которой на много порядков выше, чем допускаемая в предсказуемом будущем. Однако этот метод возможно применять для малых чисел Рейнольдса.

Рис.2

В настоящее время применяются методы, основанные на использовании моделей турбулентности. Эти модели специально разработаны, чтобы учесть эффекты турбулентности без применения точной сетки и прямого численного решения.

Большинство методов основано на применении статистических моделей турбулентности для решения уравнений РейнольдсаНавье-Стокса RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes). Исключения составляют LES (Large Eddy Simulation) и DES (Detached Eddy Simulation) методы.

Метод LES (Large Eddy Simulation) разработан для расчета крупномасштабных флуктуаций, который основан на решении нестационарных уравнений Навье-Стокса с использованием модели турбулентности для описания мелкомасштабных движений подсеточного масштаба. В ANSYS CFX для описания мелкомасштабных движений применяется модель Смагоринского [6] с двумя различными пристенными функциями демпфирования.

Рис.3

В некоторых задачах методы, основанные на статистических моделях турбулентности, не адекватны. В качестве альтернативы может быть применен Метод LES (Large Eddy Simulation) [6]. При этом турбулентное движение будет рассчитано в меньшем приближении, что даст возможность более детально рассматривать структуру турбулентного течения, то есть флуктуации давления, повышение напряжений. Однако этот подход требует большого сеточного разрешения и малого шага по времени. Использование этого метода для расчета обтекания сооружения не рекомендуется из-за высоких разрешающих требований и большого времени счета.

Метод DES (Detached Eddy Simulation) является комбинацией LES и RANS. В зоне внешнего «гладкого» течения используется RANS, а в зоне отрыва потока с крупными вихрями – LES. По сравнению с методом LES, DES сохраняет порядок величины компьютерной мощности для течений с высоким числом Рейнольдса из-за умеренных затрат модели RANS в пограничном слое. На рис.3 показан вид результатов при использовании разных моделей турбулентности.

3. Одна из главных трудностей моделирования ветровых воздействий в рамках полной трехмерной нестационарной постановки задачи турбулентного обтекания высотного здания связана с повышенными требованиями к мощности вычислительных платформ. Обычные персональные компьютеры обеспечивают адекватные ресурсы лишь при решении двумерных задач. Для проведения массовых нестационарных трехмерных расчетов с помощью CFD-пакетов требуются дорогостоящие высокопроизводительные многопроцессорные системы кластерного уровня. Поэтому вполне разумным путем проведения расчетов ветровых нагрузок является сочетание традиционных инженерных подходов с возможностями современных методов компьютерного моделирования, в частности, на основе экономичных двумерных нестационарных моделей течения.

В [7] рассматривается методика расчета высотных зданий, используя двумерную модель обтекания контура горизонтального сечения здания. При численном моделировании поперечного обтекания контура здания с использованием двумерных подходов сдвиг скорости ветра по высоте можно учесть лишь косвенно, приравнивая скорость набегающего равномерного потока скорости ветра на заданной высоте над уровнем земли.

В рамках трехмерных CFD-технологий учет стационарного сдвигового профиля ветра трудностей не представляет. Однако в любом случае остаются проблемы адекватного моделирования влияний атмосферной турбулентности, поскольку реальный приземный пограничный слой содержит вихри, масштаб которых превышает характерный поперечный размер здания.

Используемые в CFD-пакетах дифференциальные модели изотропной турбулентности позволяют учитывать только мелкомасштабную часть спектра и не могут учитывать влияние низкочастотных нестационарных ветровых порывов от крупных вихрей в настилающем ветровом потоке. И численное, и физическое моделирование крупномасштабных пульсаций в приземном пограничном слое связано с необходимостью воспроизведения всего частотно-энергетического спектра пульсаций. В аэродинамических трубах для этого специальным образом устанавливают системы разного рода выступов и шероховатостей. При численном моделировании можно попытаться применять стохастические методы восстановления пульсаций набегающего потока по заданным основным характеристикам частотно-энергетического спектра [8].

 

Литература

1. Магай А. А. Проблемы проектирования и строительства высотных зданий / А. А. Магай, Е. А. Магай // Жилищное строительство. – 2005.– №4. – С.18-21.

2. Николаев С. В. Безопасность и надежность высотных зданий - это комплекс высокопрофессиональных решений  / С. В. Николаев // Уникальные и специальные технологии в строительстве. – 2004. – №1.  – С. 8-18.

3. Гузеев А.С., Короткин А.И., Лебедев А.О., Роговой Ю.А. Анализ некоторых результатов по определению аэродинамических характеристик высотных зданий // Инженерно-строительный журнал. 2009. №3. С. 50-52.

4. Дубинский С. И. Численное моделирование ветровых воздействий на комплекс «ФЕДЕРАЦИЯ» «МОСКВА-СИТИ» / С. И. Дубинский // International Journal for Computational Civil and Structural Engineering. – 2008. – № 4. – С. 58-59.

5. Mendis P., Ngo T., Haritos N., Hira A. Wind loading on Tall Buildings // EJSE Special Issue: Loading on Structures. – 2007. – P. 41-54.

6. ANSYS CFX-Solver Theory Guide.  Canonsburg: ANSYS, Inc., 2009. 257 p.

7. Гувернюк С.В. Компьютерное моделирование аэродинамических воздействий на элементы ограждений высотных зданий / С. В. Гувернюк, В. Г. Гагарин // АВОК. – 2007. – №1. – С. 16-22.

8. Симиу Э. Воздействие ветра на здания и сооружения: пер. с англ.   / Э. Симиу, Р. Сканлан ; под ред. Б. Е. Маслова. – М.: Стройиздат, 1984. – 360 с.



[ 0 | 1 ]



О нас | Контакты | Ссылки | © 1991-2015, CONBI