МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВЫХ НАГРУЗОК ПРИ ОБТЕКАНИИ ВОЗДУШНЫМ ПОТОКОМ СИСТЕМЫ МОДЕЛЕЙ ЗДАНИЙ ПРИ ВАРИАЦИИ ИХ РАСПОЛОЖЕНИЯ

Целью исследования является изучение изменения коэффициентов давления на поверхностях граней модели высотного здания под воздействием вихревых потоков, создаваемых препятствием с аналогичными геометрическими параметрами при его поперечном смещении от продольной оси канала. Взаимодействие нескольких зданий и влияние их местоположения на интерференцию воздушных потоков остается малоизученным. Сложный трехмерный характер отрывных потоков, и особенно процесс их интерференции при обтекании системы преград, существенно снижают возможности методов численного моделирования аэродинамики. Основным инструментом изучения аэродинамических характеристик при обтекании воздушным потоком группы высотных и повышенной этажности зданий является экспериментальное исследование на установках, моделирующих реальные условия ветрового воздействия на здания. Здания и сооружения представляют собой плохообтекаемые тела, имеют разные формы и, как правило, встречаются в виде квадратных призм. В связи с этим были выбраны модели зданий с соотношением сторон H/а = 3 и 6. Размер поперечного сечения призмы был неизменным и равным а = 50 мм. Выбор формы сечения и определяющего размера моделей позволяет распространить экспериментальные данные по давлению на широкий круг не только зданий, но и на многие другие конструкции подобной формы. В основе экспериментов заложено физическое моделирование системы исследуемых моделей зданий на основе теории подобия. Основным предметом исследования является установление зависимости изменения коэффициентов давления при поперечном смещении моделей относительно продольной оси канала рабочей камеры, принятое с шагом 25 мм и обозначенное отношением L2/a. Принятый диапазон смещений L2/a = 0,5; 1; 1,5; 2. Система моделей зданий состоит из двух квадратных призм (модель + препятствие) с геометрическими размерами 50×50×150 мм и 50×50×300 мм (Н/а = 3 и 6 соответственно). Принятый скоростной режим воздушного потока соответствует числу Рейнольдса Re = 4,25×10⁴ . Угол атаки воздушного потока – 0°. Расстояния между моделями в следе соответствуют принятому диапазону продольного перемещения L1/a = 1,5; 3 и 6. Результаты исследований, экспериментальные данные: 1. Установлен характер взаимодействия системы моделей зданий в потоке воздуха. 2. Определена зона наименьшей ветровой нагрузки на позадистоящую (подветренную) модель № 2. 3. Описано влияние первичного и вторичного отрывов воздушного потока на степень разрежения по боковым граням модели № 2 в зависимости от начального расстояния между моделями. 4. Установлено, что при выходе подветренной модели № 2 из следа впередистоящей призмы происходит рост коэффициента лобового сопротивления. 5. Установлено, что при продольном удалении моделей L1/а = 6 выход подветренной модели № 2 из следа впередистоящей модели № 1 приводит к появлению дополнительных продольных и поперечных усилий. Таким образом, изменение направления ветра в значительной мере оказывает раскачивающее действия на подветренную модель № 2. 6. При большом поперечном смещении L2/a > 2,0 картина обтекания второй призмы приближается к картине обтекания впередистоящей призмы или одиночной призмы. При этом отчетливо обнаруживаются те же режимы течения, что и при обтекании потоком воздуха одиночно стоящей призмы. Результаты исследований могут быть использованы при определении динамических нагрузок на поверхностях зданий и сооружений, при проектировании естественной и искусственной вентиляции зданий, навесных фасадов, светопрозрачных конструкций большой протяженности, а также для обеспечения безопасной работы в процессе возведения высотных зданий. Полученные результаты являются наиболее важными с точки зрения получения новых знаний об аэродинамике высотных зданий в условиях городской застройки и совершенствования методов и подходов к расчету несущих и ограждающих конструкций зданий, находящихся в сложных аэродинамических условиях.

1. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения. М.: Стройиздат, 1984. 360 с.

2. Лозинский Э.А. Ветровой подпор от высотного здания в условиях уплотнения существующей жилой застройки // Збірник наукових праць (галузеве машинобудування, будівництво). 2011. № 2 (30). С. 129–137.

3. Леденев П.В., Синявин А.А. Экспериментальное исследование ветрового давления при обтекании тандема двух зданий // Вестник МГСУ. 2011. Т. 1. № 3. С. 377–382.

4. Гувернюк С.В., Егорычев О.О., Исаев С.А., Корнев Н.В., Поддаева О.И. Численное и физическое моделирование ветрового воздействия на группу высотных зданий // Вестник МГСУ. 2011. Т. 1. № 3. С. 185–191.

5. Табунщиков Ю.А., Ефремов М.Н. Аэродинамика застройки и зданий // АВОК. 2015. № 4. С. 48–55.

6. Савицкий Г.А. Ветровая нагрузка на сооружения. М.: Изд-во литературы по строительству, 1972. 110 с.

7. Дубинский С.И. Численное моделирование ветровых воздействий на высотные здания и комплексы: автореф. дис. … канд. техн. наук. М.: МГСУ, 2010. 23 с.

8. Гувернюк С.В., Исаев С.А., Егорычев О.О., Поддаева О.И., Корнев Н.В., Усачев А.Е. Вычислительная аэродинамика строительных сооружений. Задачи и методы // Вестник МГСУ. 2011. Т. 2. № 2. С. 113–119.

9. Гагарин В.Г., Гувернюк С.В., Леденев П.В. Аэродинамические характеристики здания для расчета ветрового воздействия на ограждающие конструкции // Жилищное строительство. 2010. № 1. С. 7–10.

10. Дорошенко С.А., Дорошенко А.В., Орехов Г.В. Определение ветровой нагрузки на трехмерные конструкции с помощью моделирования в аэродинамической трубе // Вестник МГСУ. 2012. № 7. С. 69–74.

11. Igarashi T. Characteristics of the flow around a square prism // Bulletin of JSME. 1984. V. 27. № 231. P. 1858–1865.

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

13. Кошин А.А., Коробков С.В., Гныря А.И., Терехов В.И. Моделирование вихревой структуры и ветровых нагрузок при нелинейном расположении двух квадратных призм // XXXI Сибирский теплофизический семинар, посвященный 100-летию со дня рождения академика С.С. Катутеладзе: сб. докл. Всеросс. конф., Новосибирск, 1719 ноября 2014 г. Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2014. С. 78–84.

14. Гныря А.И., Коробков С.В., Мокшин Д.И., Кошин А.А., Терехов В.И. Ветровое давление в тандеме моделей зданий при их нелинейном расположении // Энерго- и ресурсоэффективность малоэтажных жилых зданий: мат. научн. конф. с междунар. участием, Новосибирск, 2426 марта 2015 г. Новосибирск: Институт теплофизики СО РАН, 2015. С. 71–74.

15. Gnyrya A.I., Korobkov S.V., Koshin A.A., Terekhov V.I. Physical simulation of wind pressure on building models at various arrangement and airflow conditions // Proceedings of the IV International research conference «Information technologies in Science, Management, Social sphere and Medicine» (ITSMSSM 2017). Published by Atlantis Press, 2017. V. 72. P. 389–392.