Аэродинамика высотных зданий. Опыт архитектурно-климатических достижений. Сооружения Нормана Фостера в Казахстане. Дарын Даниярулы РПЗС-18-1 СРС-1 Физика. Срс1 срс аэродинамика высотных зданий. Опыт архитектурноклиматических достижений. Сооружения Нормана Фостера в Казахстане студент 3 курса группы рпзс181 Даниярлы Д. Приняла Кулимова Р. Ю. Алматы 2020 Введение
 Скачать 260.18 Kb.
|
1 2 Министерство образования и науки Республики Казахстан Международная образовательная корпорация Казахская головная архитектурно-строительная академия  СРС№1 СРС 1. Аэродинамика высотных зданий. Опыт архитектурно-климатических достижений. Сооружения Нормана Фостера в Казахстане. Выполнил: студент 3 курса группы РПЗС18-1 Даниярұлы Д. Приняла:Кулимова Р.Ю. Алматы 2020 Введение Вопросы аэродинамики зданий всегда считались достаточно важными, а в ряде случаев – определяющими для проектирования вентиляции зданий и расчета воздушных потоков внутри здания, оценки влияния здания на аэродинамический режим прилегающей территории, выбора ограждающих конструкций с необходимой воздухопроницаемостью. Кроме того, внутри зданий могут возникать сильные воздушные потоки, что требует специальных решений: шлюзования входных дверей, лестничных секций, герметизации мусоропроводов и т. д. Есть еще ряд вопросов, который связан с аэродинамикой зданий, в том числе рассеивание вредностей, расположение пешеходных дорожек, образование снегозаносов и т. п. Аэродинамика высотных зданий имеет свою специфику, т. к. для них влияние наружных климатических воздействий и величины градиентов перемещения потоков массы и энергии внутри здания являются по своей значимости экстремальными. Изменение по высоте температуры,скорости ветра и барометрического давления Известно, что в холодный и теплый период года температура наружного воздуха понижается примерно на 1 °С через каждые 150 м высоты, атмосферное давление понижается примерно на 1 гПа через каждые 8 м высоты, а скорость ветра увеличивается [2]. Изменение по высоте температуры и атмосферного давления описываются следующими формулами [2]: th = t0 – 0,0065xh, (1) ph = p0 (1 – 2,25577x10–5 x h)5,2559, (2) где th, ph – соответственно температура, °С, и давление, Па, на высоте h, м; t0, p0 – соответственно температура, °С, и давление, Па, у поверхности земли; В табл. 1 приведены значения температуры наружного воздуха и наружного барометрического давления, рассчитанные по формулам (1) и (2). В табл. 1 значения температуры и барометрического давления у поверхности земли приняты равными расчетным значениям, приведенным для г. Москвы в СНиП 2.04.05 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» (для холодного периода: параметр А – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = –15 °С, а параметр Б – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = –26 °С; для теплого периода: параметр А – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = 22,3 °С, параметр Б – расчетное значение температуры наружного воздуха t0 = 28,5 °С; барометрическое давление p0 = 990 гПа). Для оценки изменения скорости ветра по высоте используются различные модели – спираль Экмана, логарифмический закон, степенной закон [1, 2, 7, 9]. Эти модели позволяют оценить скорость ветра v на высоте h, если известна скорость ветра v0 на высоте h0. Например, степенной закон изменения скорости ветра по высоте имеет вид [2, 7, 9]: vh = v0 (h/h0)a , (3) где vh – скорость ветра, м/с, на высоте h, м; v0 – скорость ветра, м/с, измеренная на высоте h0, м (как правило, скорости ветра измеряются на высоте 10–15 м, и в этом случае h0 = 10—15 м); a – показатель степени, зависящий от типа местности и устанавливаемый экспериментально; в [2] рекомендуется для центров крупных городов принимать a = 0,33. В табл. 2 приведены значения скорости ветра в условиях городского центра, рассчитанные по формуле (3). Значения скорости ветра на высоте 10 м приняты равными расчетным значениям, приведенным для в СНиП 2.04.05 «Отопление, вентиляция и кондиционирование» (для холодного периода года: параметр А – v0 = 4,7 м/с, параметр Б – v0 = 4 м/с; для теплого периода года: параметры А и Б – v0 = 1 м/с). Вместе с тем часто известна скорость ветра, измеренная на метеорологической станции, которая располагается, как правило, на открытой местности. В условиях плотной городской застройки скорость ветра на той же высоте будет ниже. Скорость ветра v на высоте h в зависимости от типа местности в модели степенного закона рассчитывается по формуле [2, 9]:  (4)где vh – скорость ветра, м/с, на высоте h, м, на местности, тип которой характеризуется показателем степени a и толщиной пограничного слоя d; v0 – скорость ветра, м/с, измеренная на высоте h0, м, на местности, тип которой характеризуется показателем степени a0 и толщиной пограничного слоя d0; a – показатель степени, зависящий от типа местности и устанавливаемый экспериментально; d – толщина пограничного слоя, м, для рассматриваемого типа местности; в работе [2] рекомендуется следующие значения a и d: Ј для центров крупных городов a = 0,33, d = 460 м; Ј для условий пригорода (в данном случае под пригородом понимается местность, в которой в радиусе 2 000 м расположена малоэтажная застройка или лесопарковые массивы) a = 0,22, d = 370 м; Ј для открытой местности a = 0,14, d = 270 м. a0, d0 – показатель степени и толщина пограничного слоя для местности, на которой зафиксирована скорость ветра v0; как правило, скорости ветра измеряются на метеорологических станциях, расположенных на открытой местности на высоте 10–15 м, и в этом случае h0 = 10—15 м, a0 = 0,14, d0 = 270 м. Под пограничным слоем понимается приземной слой атмосферы, в котором поверхность земли оказывает тормозящее воздействие на движущую массу воздуха. Возрастание скорости ветра происходит в пределах пограничного слоя, выше пограничного слоя (в свободной атмосфере) скорость ветра постоянна (градиентная скорость). Толщина пограничного слоя в общем случае зависит от состояния атмосферы, типа местности, широты местности и силы ветра; в рассмотренной выше методике принимается инженерное допущение – толщина пограничного слоя зависит только от типа местности, т. е. dявляется функцией только аргумента a. По формуле (4) были выполнены расчеты ожидаемых скоростей ветра для трех типов местности – открытого пространства, пригорода и центра крупного города с плотной застройкой. Значения скоростей ветра для открытой местности, зафиксированных на высоте 10 м (h0 = 10 м a0 = 0,14, d0 = 270 м), были приняты равными v0 = 1 м/с, 5 м/с и 10 м/с. Результаты расчетов представлены в табл. 3 и на рис. 1. Высокие значения скорости ветра на больших высотах, как правило, изменяют угол падения дождевых капель, так что увеличивается количество дождя, падающего на вертикальные поверхности здания. Это может явиться причиной переувлажнения вертикальных ограждающих конструкций. Исследования зависимости угла падения атмосферных осадков различной интенсивности от скорости ветра были проведены А. И. Кругловой и изложены в [6].  Конвективные воздушные потоки у наружной поверхности здания В теплый период года в солнечные дни из-за облученности наружных поверхностей здания солнечной радиацией их температура резко возрастает и значительно отличается от температуры окружающего воздуха. В результате разности температур образуется конвективный тепловой поток, направленный вверх здания, и имеет место так называемый приповерхностный (пограничный) слой нагретого воздуха. Разность температур наружной поверхности здания и окружающего воздуха зависит от величины солнечной радиации и коэффициента поглощения солнечной радиации материалом наружной поверхности ограждающих конструкций здания. Проведенные нами расчеты показали, что в условиях г. Москвы при безоблачном небе в июле ожидаемые максимальные температуры наружной поверхности ограждающих конструкций различной ориентации достигают значений, приведенных в табл. 4. Ветровое давление, аэродинамические коэффициенты При изучении аэродинамики зданий в [2] под высотным понимается такое здание, высота которого превышает ширину подветренного фасада в три и более раз. На рис. 4 приведены данные о распределении аэродинамических коэффициентов на фасаде квадратного в плане высотного здания при различных направлениях ветра [2].
Рассмотрение значений аэродинамических коэффициентов на фасаде квадратного в плане высотного здания при различных направлениях ветра показывает, что, если направление ветра перпендикулярно фасаду здания (рис. 4а), аэродинамические коэффициенты на этом фасаде положительны и их значения уменьшаются по направлению к боковым фасадам здания и по направлению к верхней части рассматриваемого фасада. На увеличение значения аэродинамических коэффициентов у верхней части фасада высотного здания также влияет повышение скорости ветра с увеличением высоты. Если направление ветра отклоняется от нормали к фасаду, область максимального давления смещается к наветренному углу здания (рис. 4б—в). При отклонении направления ветра от нормали на угол 45° давления становятся отрицательными у дальнего (по отношению к направлению ветра) угла фасада (рис. 4г). Если угол отклонения направления ветра от нормали лежит в пределах 60–75°, давления отрицательны по всему фасаду (рис. 4д—е). Максимальные отрицательные давления наблюдаются в областях, расположенных на боковых (по отношению к направлению ветра) фасадах у наветренных углов (рис. 4ж), причем на боковых фасадах распределение давлений существенно меняется в зависимости от относительных размеров данных фасадов (отношения высоты и ширины). Для заветренных фасадов (направление ветра составляет с нормалью угол больше 100°) значения давлений в различных областях меняются не столь существенно (рис. 4з-н).
Таким образом, если фасад расположен под углом от 0 до 60° относительно направления ветра, то среднее давление на фасаде положительно; если этот угол составляет 60–180°, то среднее давление – отрицательно. На рис. 5 приведены графики изменения средних значений аэродинамических коэффициентов на фасаде прямоугольного в плане высотного здания при различных соотношениях боковых сторон в зависимости от направления ветра [2]. Графики изменения средних значений аэродинамических коэффициентов на покрытии прямоугольного в плане высотного здания (в случае, если покрытие плоское или его уклон достаточно мал) при различных соотношениях боковых сторон в зависимости от направления ветра приведены на рис. 6. Следует отметить, что, если направление ветра составляет с фасадом здания угол порядка 45°, у наветренных кромок покрытия возникают сильные завихрения (рис. 7). Высокие скорости воздушного потока в этих завихрениях обуславливают достаточно сильное разрежение (отрицательное давление) у краев покрытия, что, например, в случае сильных ветров может быть опасно для инженерного оборудования, расположенного в этой зоне.
Если форма здания отличается от прямоугольной, характер распределения аэродинамических коэффициентов на его фасадах может существенно отличаться от приведенных выше. Возможны два метода исследования аэродинамики здания: метод физического моделирования и метод математического моделирования. Физическое моделирование здания осуществляется в аэродинамической трубе. Обычно это моделирование выполняется с учетом существующей застройки. Теория физического моделирования разработана в значительной степени благодаря работам отечественных ученых – Л. И. Седова, Т. А. Афанасьевой-Эренфест, М. В. Кирпичева, А. А. Гухмана, Э. И. Реттера, Ф. Л. Серебровского и ряда других специалистов. Более широкий список источников содержится, например, в книге Э. И. Реттера [3]. Математическое моделирование — менее надежный способ исследования аэродинамики здания с учетом застройки в связи с тем, что одновременно существуют ламинарные, турбулентные, вихревые и т. п. зоны движения, для каждой из которых необходимо иметь значения коэффициентов, характеризующих движение в этих зонах, связь между ними и характер застройки. С появлением мощной, легко доступной компьютерной техники для специалистов по математическому моделированию аэродинамики появилась возможность существенно повысить надежность расчетов.
1 2 |
