Строительная доска объявлений - BENT.RU
Cтроительный портал BENT. Проектирование, гражданское и промышленное строительcтво. Проектирование зданий.

Добавить объявление
Строительные объявления Строительная документация Статьи по строительству Строительный портал

ВЕТРОВАЯ НАГРУЗКА 8

  [Раздел: Ветровая нагрузка]

4.4. Спутная струя и вихревые системы в плоском потоке

Все последующее обсуждение проводится в предположении, что поток является двумерным (плоским), т. е. не зависит от координаты, нормальной к рассматриваемой плоскости. Рассмотрим двумерный поток, обтекающий плоскую пластину с острыми кромками, которая показана на рис. 4.7.

При весьма малых числах Рейнольдса (например, UL/v ≈ 0,3, где L — размер пластины поперек потока) поток огибает острые углы и безотрывно следует вдоль как передней, так и тыльной стороны контура пластины (см. рис. 4.7, а). При небольшом увеличении числа Рейнольдса (Re ≈ 10), достигнутом только путем увеличения скорости течения при обтекании той же самой пластины, происходит срыв струй - потока по ее углам, а позади пластины образуются два крупных симметричных вихря, которые остаются присоединенными к ее тыльной стороне (см. рис. 4.7, б).

При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса (Re ≈ 250) симметричные вихри разрушаются и заменяются правильной последовательностью чередующихся вихрей, которые по очереди образуются у верхней и нижней кромок пластины и уносятся вниз по течению (рис. 4.7, в). Полный цикл этого явления определяется как проявление его активности от появления некоторой мгновенной картины обтекания тела и до следующей подобной же картины.

При еще больших числах Рейнольдса, скажем Re ≥ 1000 (рис. 4.7, г), преобладают инерционные силы. При этом крупные, обособленные вихри имеют небольшую возможность для своего формирования, и вместо них позади пластины образуется, как правило, турбулентная спутная струя. Две внешние кромки пластины формируют «слой со сдвигом», состоящий из длинных цепочек наиболее мелких вихрей. Они располагаются в той части спутной струи, которая прилегает к области плавного течения. В итоге отметим, что эти результаты наглядно иллюстрируют изменения, происходящие в потоке в зависимости от числа Рейнольдса, при переходе от области с преобладающим влиянием вязкости к области, где преобладает действие сил инерции.

Далее кратко рассмотрим известный случай плоского потока, обтекающего круговой цилиндр (рис. 4.8). Увеличивая скорость течения, можно вызвать целый ряд состояний потока, каждое из которых отождествляется с конкретным интервалом чисел Рейнольдса. При весьма малых значениях числа Рейнольдса (Re≈ 1) поток (который предполагается при подходе к телу ламинарным) остается присоединенным к цилиндру по всему его периметру, как это показано на рис. 4.8, а. При Re 20 течение сохраняется симметричным, но происходит отрыв потока и образование в спутной струе крупных вихрей, которые располагаются вблизи тыльной (относительно направления течения) поверхности цилиндра, что и показано на рис. 4.8, б. При 30 ≤ Re≤ 5000 от цилиндра отрываются правильно чередующиеся вихри, которые образуют вниз по течению четко выраженную «вихревую дорожку». Первыми сообщение об этом явлении сделали Бенар [4.5] и фон Карман [4.6]1 (рис. 4.8, в).

Более тонкие детали этого поразительного процесса до сих пор еще не изучены, и он продолжает оставаться в центре многих как экспериментальных, так и теоретических исследований. Позади цилиндра образуется устойчивая система расположенных в шахматном порядке вихрей, которые перемещаются вниз по течению со скоростью, несколько меньшей, чем скорость окружающей жидкости. 

В этом интервале чисел Рейнольдса в отличие от самих вихрей течение спутной струи довольно плавное и регулярное. На рис. 4.9 изображены линии тока в спутной струе позади кругового цилиндра, установленного в гидродинамической трубе [4.7], при упомянутом выше интервале значений чисел Re. Течение на этой фотографии стало видимым за счет выделения из цилиндра красящего вещества.

При дальнейшем увеличении числа Рейнольдса в интервале 5000 ≤ Re ≤ 200 000 перед точкой отрыва сохраняется безотрывное ламинарное обтекание цилиндра. В отделившемся же потоке наблюдается пространственная картина движений, и в спутной струе происходит переход к турбулентному течению — тем дальше от цилиндра вниз по течению, чем меньше числа Рейнольдса и ближе к его поверхности при их увеличении [4.19]. Для наибольших в этом интервале чисел Рейнольдса спутная струя позади цилиндра подвергается турбулизации уже непосредственно после отрыва потока и между находящимися на некотором расстоянии друг от друга слоями со сдвигом образуется турбулентный след (рис. 4.8, г).

При превышении Re ≈ 200 000 (рис. 4.8, д) спутная струя заметно суживается (что приводит к уменьшению лобового сопротивления, см. рис.4.16) и срыв вихрей в гораздо большей степени представляется случайным. Однако с увеличением скорости при Re ≈ 4 106 их срыв снова становится регулярным, несмотря на то, что спутная струя теперь сохраняет значительную степень турбулентности. Наибольшее значение числа Рейнольдса, до которого проводились экспериментальные исследования этого явления, составляет примерно 108 [9.31].

Другие плохообтекаемые тела, особенно треугольные, квадратные, прямоугольные и другие призмы правильной и неправильной геометрической формы, вызывают аналогичные явления срыва вихрей.

О явно выраженной их закономерности в спутной струе впервые было сообщено Струхалем [4.8], который указал, что явление срыва вихрей описывается в терминах безразмерного числа (числа Струхаля):

где Ns — частота полных циклов срыва вихрей; D — характеристический размер тела в проекции на плоскость, нормальную к средней скорости течения; U — скорость набегающего потока, который предполагается ламинарным.

Число Sh принимает различные характеристические постоянные значения в зависимости от формы поперечного сечения призмы, помещенной в поток. На рис. 4.10 [4.9] проведено обобщение зависимости Sh от Re для кругового цилиндра в интервале значений 105 ≤ Re ≤ 107.

В табл. 4.1 [4.10] также приводится целый ряд значений Sh для различных форм поперечного сечения при числах Рейнольдса, соответствующих интервалу явно выраженного срыва вихрей; при этом приходящий поток является ламинарным.

Еще продолжается некоторая дискуссия по вопросу о том, сможет ли по-прежнему проявляться периодический характер срыва вихрей при чрезвычайно больших числах Рейнольдса, скажем Re >>108. Если вместо истинного кинематического коэффициента вязкости использовать эффективный коэффициент турбулентной вязкости (см. 2.2), то в таком случае можно вычислить новый интервал чисел Рейнольдса, в котором появляется возможность еще раз прогнозировать отрыв правильно чередующихся вихрей от очень больших плохообтекаемых объектов. Таким способом можно наблюдаемые время от времени в океанских течениях позади островов вихревые дорожки из больших вихрей привести в соответствие с существенно более мелкомасштабными экспериментальными наблюдениями.

В качестве примера на рис. 4.11 приведена репродукция сделанной со спутника фотографии [4.11] вихревой дорожки в атмосфере, которая стала видимой благодаря присутствию облаков в месте отрыва вихрей от горной вершины острова Гуадалупе, возвышающейся более чем на 1200 м над Тихоокеанским побережьем Мексики. Фотография охватывает около 250 км. Если принять эффективное значение коэффициента (кинематической) турбулентной вязкости равным vl ≈50 м2/с, то полномасштабное число Рейнольдса, составляющее для рассматриваемого явления порядка 1010 (при v ≈1,5 10-5 м2/с), было бы сведено к эффективному значению Reejj ≈ 3000, которое вполне соответствует интервалу ламинарного течения в спутной струе со срывом правильно чередующихся вихрей. В предположении, что остров имеет около 20 км длины, расстояние между центрами последовательных, периодически повторяющихся вихрей составляет примерно 55 км. Далее, принимая число Струхаля для вершины острова равным Sh ≈ 0,12, среднюю скорость ветра U = 30 м/с и эффективный размер для острова D ≈ 6000 м, получим следующую частоту срыва вихрей:

которая в свою очередь соответствует периоду срыва вихрей Т = 1/Ns = 1667 с. Используя зависимость S = UT, можно вычислить расстояние между вихрями (шаг вихрей) S = 30•1667 = 50 000 м = 50 км, которое согласуется с приближенными измерениями по фотографии. Другая интересная фотография крупномасштабного вихревого следа представлена на рис. 4.12 [4.12].

Когда условия обтекания таковы, что в спутной струе присутствует хорошо выраженная вихревая дорожка, то непосредственно за телом появляется перекрестный поток, который имеет составляющую, перпендикулярную направлению приходящего потока.

Следовательно, путем установки «разделительной пластины» в создаваемый телом ближний след становится возможным помешать образованию вихревой дорожки, как это впервые было предложено в [4.13] (рис. 4.13). Назначение этой пластины состоит в том, чтобы подавить поперечное течение и таким образом и в целом успокоить течение в спутной струе. Качественно присутствие пластины оказывает влияние такого же рода, как удлинение тела в направлении течения, которое приводит к его приближению, с известной долей аппроксимации, к форме симметричной аэродинамической поверхности. Следуя этому подходу, становится понятным, почему удлиненные тела, ориентированные своим наибольшим размером параллельно основному потоку, проявляют тенденцию вызывать относительно узкие спутные струи большей частью без возбуждения существенного вихревого следа.

При сравнении обтекания квадратных и прямоугольных призм (рис. 4.14) видно, что квадратное поперечное сечение (при достаточно большом Re) вызывает отрыв потока, сопровождаемый появлением

широкой турбулентной спутной струи, тогда как при более вытянутой прямоугольной форме (в зависимости от отношения длины к ширине) отрыв потока может произойти в передних углах, за ним вниз по течению последует восстановление безотрывного обтекания и, наконец, еще один отрыв потока на задней кромке. Таким образом, становится понятно, что на результирующую спутную струю влияет не только плохообтекаемая лобовая поверхность тела, помещенного в жидкость, важное значение для ее формы имеют также длина тела в направлении течения и его общая форма. Если в противоположность случаю, показанному на рис. 4.14, б, расположить прямоугольник длинной стороной перпендикулярно потоку, то след за телом будет проявлять сильно выраженные характерные особенности вихревого следа, сопутствуемого при более высоких значениях Re турбулентной спутной струей, которая не отличается от струи, вызываемой плоской пластиной с острыми кромками (см. рис. 4.7, в, г).

4.5. Давление, подъемная сипа, сила лобового сопротивления и момент, действующие на двумерные конструкции

На рис. 4.15 показано поперечное сечение плохообтекаемого тела, которое помещено в поток, имеющий скорость U. Поток вызывает на поверхности тела местные давления р в соответствии с уравнением Бернулли:

где постоянство левой части соблюдается вдоль линии тока, a U представляет собой скорость по линии тока в непосредственной близости от тела (т. е. непосредственно за пограничным слоем, который образуется на его поверхности).

В результате интегрирования давления по поверхности тела получим равнодействующую силу и момент. Составляющие этой силы в направлении течения и поперек его называют соответственно силой лобового сопротивления и подъемной силой. Совершенно очевидно, что на силу лобового сопротивления, подъемную силу и момент оказывают влияния как форма тела, так и значение числа Рейнольдса.

Телу, например, можно специально придать определенные очертания с целью минимизации силы сопротивления и максимизации подъемной силы, получив в результате профиль аэродинамической поверхности. С другой стороны, как, например, во многих случаях применительно к гражданскому строительству, форма объекта не может быть подвергнута такой специальной пригонке; его форма вероятнее всего устанавливается исходя из других задач проектирования сооружений, а не только связанных с аэродинамикой. Несомненно, однако, что подъемная сила, сила лобового сопротивления и момент, развиваемые потоком, обтекающим сооружение, представляют значительный интерес, поскольку являются воздействиями, на которые необходимо производить его расчет.

Обычно принято относить все давления, измеренные на поверхности сооружения, к среднему динамическому давлению 1/2ρU/2 ветра

(скоростному напору) на значительном удалении от него вверх по течению или свободного (невозмущенного) воздушного потока на некотором расстоянии от сооружения (например, в точке, находящейся достаточно высоко над ним за пределами пограничного слоя). В таком случае безразмерный коэффициент давления Ср определяется в виде

где U — среднее значение скорости такого исходного ветра; р — р0— разница между местным давлением и давлением на значительном удалении вверх по течению, р0.

Такая безразмерная форма записи дает возможность переносить результаты модельных экспериментов на натуру и устанавливать базисные значения для создания каталогов аэродинамических характеристик заданных геометрических форм.

Аналогично и суммарные силы давления ветра (на единицу ширины потока) FL и FD соответственно в направлениях вектора подъемной силы и набегающего потока могут быть записаны в безразмерном виде и выражены через коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления CL и СD следующим образом:

где В — некоторый характерный исходный размер сооружения.

Для вызываемого потоком результирующего момента соответствующий коэффициент записывается в виде

Когда поток является пульсирующим, что является следствием наступления турбулентного состояния, изменений, связываемых с вихревым течением, или пристеночной (вызванной помещенным в поток телом) турбулентностью, вышеприведенные величины становятся переменными во времени. В тех случаях, когда силы и моменты изменяются во времени, для их более полного описания необходимо знать не только средние значения коэффициентов силовых факторов, но также и спектральные плотности этих величин. Отметим, что в двумерном (плоском) потоке FL, FD и М представляют собой соответствующие значения, приходящиеся на единицу длины в направлении, перпендикулярном к плоскости наблюдения. Для пространственных случаев правильная размерность сохраняется путем введения дополнительного коэффициента В в знаменатель каждого выражения.

Вернемся к рассмотрению обтекания цилиндра круглого поперечного сечения. Изменение среднего значения его коэффициента лобового сопротивления CD можно представить так, как это сделано на рис. 4.16, где показана его зависимость от числа Рейнольдса. Отметим, в частности, резкое падение CD в интервале, определяемом примерно значениями 4•105≤ Re≤ 6• 105. Эта область его резкого падения называется критической областью и соответствует состоянию, при котором наблюдается переход от ламинарного к турбулентному течению в пограничном слое, образующемся на поверхности цилиндра. 

Турбулентное перемешивание, которое в соответствии с этим происходит в пограничном слое, помогает перемещению жидкости, обладающей более значительным количеством движения, по направлению к поверхности цилиндра. В этом случае точки отрыва пограничного слоя смещаются вниз по течению и соответственно сужается спутная струя; в итоге это приводит к тому, что значение осредненного по времени коэффициента СD составляет только 1/3 его наибольшего значения. При увеличении значения Re в закритической области CD еще раз увеличивается, но остается значительно ниже его значений в докритической области.

На рис. 4.17 в прямоугольной системе координат показано типичное распределение среднего коэффициента давления по периметру кругового цилиндра в виде функции угла Θ, характеризующего положение рассматриваемой точки. Очевидно, что приведенные результаты чувствительны к значениям числа Рейнольдса.

Коэффициент лобового сопротивления удлиненного тела прямоугольного сечения (рис. 4.18) [4.14] также является функцией узости его спутной струи, однако нижний предел ширины спутной струи приблизительно равен полной ширине тела h. При значениях Re, несколько меньших, чем в этом предельном случае, ширина спутной струи становится значительно больше ширины тела, и это сопровождается увеличением коэффициента СD, после того, как начнется восстановление безотрывного обтекания тела, значение коэффициента лобового сопротивления снизится. В основном он является функцией относительного удлинения тела b/h, как это показано на приведенном рисунке. Течение в критической области сопровождается турбулентностью, и потому эта область на рис. 4.18 показана в виде диапазона возможных значений (темный участок на рис. 4.18).

На рис. 4.19 [4.15] проиллюстрировано изменение в зависимости от числа Рейнольдса среднего коэффициента лобового сопротивления квадратной призмы при последовательном видоизменении ее углов. Отметим, что только квадратное сечение с углами малого радиуса кривизны проявляет практически неизменное лобовое сопротивление при изменении числа Рейнольдса. 

Это имеет простое объяснение. За счет раннего отрыва потока в передних углах сечения и из-за короткой хвостовой части тела практически исключается возможность восстановления безотрывного обтекания. В то же время квадратное сечение со скругленными углами проявляет свойства иметь при обтекании такую же критическую область для коэффициента лобового сопротивления, которая, как было показано ранее, существует для кругового цилиндра.

Из-за наличия таких явлений следует ожидать, что некоторые характеристики потока при испытаниях моделей в аэродинамической трубе не будут зависеть от числа Рейнольдса, в то время как другие могут быть достаточно чувствительны к нему. В соответствии с этим правомерно утверждение, что определенные нечувствительные к значениям числа Рейнольдса особенности течения могут встретиться в испытаниях, в которых явно выраженный отрыв потока всегда будет происходить в одних и тех же точно установленных точках. Некоторые же типы тел, такие как круговые цилиндры, характеризуются обширными областями, где возможен отрыв потока и в которых положение действительных точек отрыва зависит от числа Рейнольдса. При обтекании таких тел структура всего потока будет весьма чувствительна к значению числа Рейнольдса (см. разд. 9.3).

При очень малых числах Рейнольдса коэффициент лобового сопротивления в результате возрастания влияния вязкости значительно увеличивается. Это хорошо видно на рис. 4.20 [4.14], на котором показаны значения Cd для круглых и квадратных плоских пластин при 10-1 ≤ Re ≤ 107. (Необязательно, чтобы аналогичные влияния оказывались на подъемную силу и момент, хотя и здесь весьма возможно привнесение некоторого искажения.)

На всем протяжении этого параграфа предполагалось, что рассматриваемые формы имеют гладкую поверхность и что сам приходящий поток является ламинарным. Если же каждый из этих факторов изменится, то следует ожидать значительного видоизменения рассмотренных до сих пор результатов (см., например, результаты, относящиеся к обтеканию кругового цилиндра; рис. 4.19).

Поскольку разница давления в поперечном направлении на грани призмы квадратного сечения с остроочерченными углами изменяется во времени, то коэффициент подъемной силы этого профиля будет также функцией времени: Cl = Cl (t). На рис. 4.21 показана спектральная плотность Cl, построенная в виде зависимости от nB/U, где n — частота, Гц; В — длина стороны квадрата; U — средняя скорость набегающего потока (предполагаемая постоянной по всей области рассматриваемого течения). Как в случае плавного, так и турбулентного течения максимум спектра приходится на число Струхаля nВ/U = 0,12.

Это явно свидетельствует о периодическом характере срыва вихрей. Для любого заданного плохообтекаемого тела такой срыв вихрей не является чисто гармоническим явлением, что следует из распространения пика спектра и на другие частоты (см. рис. 4.21); однако

хорошее первое приближение для подъемной силы на единицу ширины потока, которая возникает при значении числа Струхаля, соответствующем максимуму спектра, задается в виде

Среднее квадратическое (rms) значение коэффициента пульсаций- нормальной силы СNrms , действующей на квадратное поперечное сечение, показано на рис. 4.22 [4.16] в виде функции угла атаки а относительно среднего направления ветра. Как видно из этого рисунка, турбулентность потока уменьшает наибольшее значение нормальной силы и слегка увеличивает ее наименьшее значение по сравнению с соответствующими значениями при ламинарном режиме.

На рис. 4.23 [4.7] представлены две фотографии обтекания потоком предложенных в проекте форм поперечного сечения балки жесткости моста при визуализации процесса путем внесения в поток в гидродинамической трубе мелких алюминиевых частиц. На рис. 4.23, а показано поперечное сечение, которое вызывает явно выраженный отрыв потока; рис. 4.23, б воспроизводит сглаживающее влияние на характер течения видоизмененного поперечного сечения, обеспечивающего снижение подъемной силы и силы лобового сопротивления.

В работе [4.17] приведены средние значения СD и СL, полученные в условиях ламинарного потока для большого числа форм поперечных сечений, обычно используемых в конструкциях, которые взяты из [4.18] (табл. 4.2). Работа [4.14] является признанным руководством по учету влияния лобового сопротивления.

4.6. Характерные особенности пространственного потока

Большинство потоков приобретает трехмерный характер, главным образом в результате их контакта с границами. Например, если гипотетический ламинарный поток, состоящий из воздушной массы, которая переносится равномерно как единое целое, сталкивается с объектом, то он будет отклонен по нескольким направлениям. Подобным же образом прохождение такого потока над некоторой поверхностью приведет к установлению градиентов скоростей в пограничном слое. Помимо этого, пространственность движений явно присуща турбулентным течениям.

Хотя основные уравнения для потока жидкости остаются в силе и в этом случае, только несколько пространственных задач об обтекании были удовлетворительно решены чисто аналитическим путем из-за встретившихся при этом значительных трудностей. В результате изучение большинства пространственных случаев частично или полностью основывается на эксперименте. Поэтому этот параграф главным образом посвящен общим аспектам изучения пространственных потоков, условиям проведения испытаний и некоторым характерным результатам, полученным с их помощью.

4.6.1. Случаи, сохраняющие основные особенности плоских потоков. Использование моделей плоских потоков, рассмотренных в предыдущем параграфе, в ряде случаев было весьма успешным вследствие того, что некоторые реальные потоки сохраняют, по крайней мере в первом приближении, определенные характерные особенности двумерных потоков. Рассмотрим, например, длинный стержень квадратного поперечного сечения, обтекаемый потоком с постоянной средней скоростью, которая направлена по нормали к одной из его граней. За исключением участков вблизи концов стержня средний поток в этом случае для практических целей может рассматриваться как двумерный. Однако явления, связываемые с пульсацией потока, не одинаковы для отдельных участков по длине стержня. Разница между событиями, которые происходят в какое-либо заданное время, увеличивается с увеличением расстояния между этими участками. Это показано на рис. 4.24 [4.16] на примере разности осевого давления на верхней и нижней гранях бруса для случаев как ламинарного, так и турбулентного набегающих потоков. Было отмечено, что трехмерность потока сама проявляется через затухание вдоль оси бруса корреляционной связи RAB между разностями давлений (измеренных соответственно в точках А и А' сечения А и точках В и В’ сечения В). Затухание этого коэффициента корреляции значительно усиливается, когда в приходящем потоке присутствует турбулентность. Из этого примера можно сделать заключение, что пульсационные явления, включая срыв вихрей, как правило, не могут быть совершенно равномерно распределены по всей длине цилиндрического тела, даже если поток имеет

постоянную среднюю скорость, а тело подлине имеет постоянное поперечное сечение.

В действительности средние параметры потока с навэтренных сторон высоких гибких сооружений обычно неоднородны, как это принималось в рассмотренном выше простом случае; в самом деле, в пограничном слое атмосферы средняя скорость течения увеличивается с высотой.

К тому же некоторые высокие сооружения (например, дымовые трубы) имеют переменные по высоте размеры. Эти важные особенности в дополнение к присущей потоку турбулентности еще больше уменьшают когерентность распространения вихрей в спутной струе сооружения.

4.6.2. Сооружения в трехмерных потоках; результаты проведенных исследований. Усложнение структуры воздушного потока при обтекании сооружений, а также за счет особенностей местности и объектов, находящихся выше по течению, указывает на необходимость проведения детальных экспериментальных исследований давления ветра на сооружения, используя моделирование в аэродинамической трубе объектов и реальных условий местности. Для того чтобы дать некоторое представление о характере получаемых таким образом результатов и указать на важную роль, которую играют в них вид профиля скорости в пограничном слое и характеристики турбулентности, ниже приведено несколько примеров.

Обтекание ветром зданий является важнейшим примером пространственных течений, которые не могут быть приемлемо описаны двумерными моделями. Рисунок 4.25 [10.9] служит подтверждением такого положения. На нем показана помещенная в воздушный поток модель высокого здания, перед которым расположено низкое здание. Это последнее способствует появлению вихря в пространстве между зданиями. Воздух, отклоняющийся вблизи наветренной стороны высокого здания, протекает через сквозной проход в его нижней части на уровне первого этажа. Области, где возникает ускоренное течение, расположены вокруг вертикальных и горизонтальных углов здания. В зонах вихревого, сквозного и угловых течений возникает много задач, связанных с характерными особенностями локально ускоряющегося здесь потока, которые приходится решать при проектировании (см. разд. 10.3).

Теперь приведем несколько примеров, показывающих разницу между коэффициентами давления, измеренными в однородном потоке и в пограничном слое атмосферы.

На рис. 4.26, а показана усредненная картина обтекания (спектр обтекания) вертикальной стены (с отношением высоты к ширине, составляющем 1 : 1) набегающим однородным потоком. Рис. 4.25, б изображает такой же случай, но при обтекании в пограничном слое. На рис. 4.27, а,б показаны коэффициенты давлений, развиваемых на гранях куба, который установлен на горизонтальной поверхности (при направлении течения по нормали к одной из его граней), сначала в однородном потоке, затем в пограничном слое. На рис. 4.28, а,б подобные же результаты приводятся для высокого здания. Отметим, что коэффициенты давления на рис. 4.26, а,б, 4.27, б и 4.28, б взяты относительно скорости набегающего (невозмущенного) потока.

На рис. 4.29 [4.22] показаны значения коэффициента давления, развиваемого по центральной вертикальной плоскости небольшого сооружения при натурных испытаниях и на модели в масштабе 1/20, как

функции шероховатости поверхности вверх по течению, которая обусловливает профиль средней скорости и турбулентность приходящего потока (числа в круглых скобках на рис. 4.29 представляют собой размеры сооружения в натуре). В качестве критерия шероховатости поверхности используется отношение h/z0, где h — высота здания, а z0 — параметр шероховатости (см. разд. 2.2). Из четырех представленных здесь моделей местности одна, по-видимому, с более правильно смоделированной шероховатостью (т. е. при h/z0 = 170) дала наиболее близкое приближение к результатам натурных испытаний. Отличие значений, полученных в натурных условиях, от результатов испытаний для других случаев искусственного воспроизведения шероховатости подстилающей поверхности местности является значительным. Сравнение результатов измерений давлений на высокое здание, выполненных на моделях и в натурных условиях, которые заимствованы из [4.23], проведено в разд. 9.3.

В последние годы как в натурных условиях, так и на моделях было проведено изучение внешнего давления, оказываемого воздушным потоком на гиперболические градирни с естественной вентиляцией. На рис. 4.30 показаны средние коэффициенты давления, полученные в результате натурных испытаний. Измерения проводились в горизонтальной плоскости на уровне горлового (самого узкого) сечения на двух различных объектах [4.24, 4.25]. В обоих случаях башни были выполнены из монолитного железобетона и имели шероховатые поверхности.

Они были снабжены вертикальными ребрами: 84 ребра, выступающие на 4—5 см в радиальном направлении от поверхности башни [4.24] и 52 ребра, выступающие на 1,8 см для башни, об испытаниях которой сообщается в [4.25]. Измерения проводились при Re ≈ 108 [4.24] и Re 6•107 [4.25].

Об испытаниях градирен в аэродинамической трубе сообщается в [4,25 и 4.27—4.31]. Результаты, полученные в различных испытаниях, значительно отличаются друг от друга, особенно когда дело касается минимальных значений Срр < 0). Это, по-видимому, связано с тем, что испытания различаются тремя важными факторами:

1) параметрами турбулентности набегающего ветра; 2) моделированием шероховатости поверхности; 3) значением числа Рейнольдса при испытаниях (последнее неизбежно бывает по крайней мере на один порядок ниже, чем в натурных условиях). На рис. 4.31 [4.25] показаны полученные в результате испытаний на моделях вертикальные распределения (вдоль образующей башни) коэффициентов Ср для давления полного торможения (полное давление), давления основного отсоса и минимального давления (максимальный отсос). Они изменяются в зависимости от направления ветра из-за наличия местных препятствий, которые включают соседние электростанции, дымовые трубы и более мелкие градирни; приведенные результаты соответствуют наиболее неблагоприятному направлению ветра.

На рис. 4.32 [4.26] показано распределение коэффициента давления по периметру горлового сечения при натурных и модельных испытаниях градирни. Эти результаты в значительной степени подтверждаются данными [4.24].

Как уже упоминалось выше, одним из важных соображений, которое надо учитывать во всех экспериментах на моделях, является неадекватное в большинстве случаев воспроизведение значений числа Рейнольдса в натурных условиях. Некоторая компенсация этого недостатка в ряде случаев обеспечивалась введением при моделировании поверхностной шероховатости или других устройств на поверхности модели, вызывающих турбулентность (турбулизаторов), так что возбуждался поток, имеющий некоторые характеристики потока при более высоком числе Рейнольдса. До настоящего времени, по-видимому, не существует какого-либо общего руководства по таким устройствам, хотя имеются отдельные случаи успешного моделирования. Например, в [4.25] сообщается, что распределение средних значений Ср по периметру горлового сечения в натурных условиях было адекватно воспроизведено при лабораторных испытаниях посредством использования специально подобранной шероховатости поверхности модели при Re ≈ 1,2•106. Довольно хорошее совпадение отмечается также между измерениями пульсаций давления на модели и в натурных условиях, результаты которых приведены на рис. 4.32. Об исследованиях, посвященных изучению влияния шероховатости поверхности или высоты ребер и их размещения на распределение давления по поверхности гиперболической градирни, сообщается в [4.27 - 4.311. Как отмечается в [4.32, 4.33], в которых описывается влияние изменения высоты импостов на распределения давления по поверхностям моделей зданий, относительные высоты возмущений приземного пограничного слоя должны быть значительно больше при моделировании, чем в натурных условиях, из-за различия условий в пределах приземных пограничных слоев соответственно в масштабе модели и ее реального прототипа. Дальнейшее рассмотрение этого вопроса проводится в разд. 9.3.

4.7. Соотношение переменных во времени сил и скоростей ветра в турбулентном потоке

Большой интерес представляет преобразование информации о пульсациях скорости воздушного потока, в который помещено данное тело, в информацию о давлениях, оказываемых на его поверхность, или о равнодействующих силах и моментах. Поскольку большинство реальных течений являются достаточно сложными, получение таких результатов аналитическим путем невозможно, поэтому обычно используются формулы, характеризующиеся неизвестными коэффициентами, которые должны быть установлены экспериментально.

Э.Симиу, Р.Сканлан
Воздействие ветра на здания и сооружения
1984

 




Статьи |  Фотогалерея |  Обратная связь

© 2006-2024 Bent.ru
Бесплатная строительная доска объявлений. Найти, дать строительное объявление.
Москва: строительство и стройматериалы.