مقدمة
منذ اختراع نفق الرياح، وجد المهندسون له استخدامات عملية لا حصر لها. وما بدأ كأداة لأبحاث الديناميكا الهوائية أصبح في نهاية المطاف جزءًا مهمًا من تطوير الطائرات، قبل أن يجد تطبيقات في الهندسة المدنية. ويشمل ذلك دراسة أحمال الرياح، وحركات الهياكل، والآثار البيئية، وظروف الاختبار ذات الصلة بمتطلبات كود البناء.
سيوفر هذا المقال خلفية عن دراسات نفق رياح الطبقة الحدودية (BLWT)، يليها بعض التحديات التي واجهها المهندسون عند محاكاة الرياح الطبيعية. ثم يتناول المقال التقنيات والأساليب المتاحة اليوم والتي تجعل دراسات الطبقة الحدودية الجوية ممكنة.
جدول المحتويات
- مقدمة
- تجارب نفق رياح الطبقة الحدودية في الهندسة المدنية
- ما هي الطبقة الحدودية الجوية؟
- تصميم تجارب الطبقة الحدودية
- آثار الرياح على الهياكل
- الآثار البيئية على الهياكل
- كيف يعمل نفق رياح الطبقة الحدودية؟
- كيفية توليد طبقة حدودية جوية باستخدام جدار رياح؟
- الخلاصة
الشكل 1: نموذج ثلاثي الأبعاد لـ WindShaper يُستخدم لاختبار نماذج المباني المصغّرة
تجارب نفق رياح الطبقة الحدودية في الهندسة المدنية
تعود بعض أقدم التجارب المسجلة التي درست آثار الهواء على الأجسام إلى عامي 1742 و1759. أجرى العلماء هذه الاختبارات عن طريق تثبيت الأجسام على أذرع دوارة وتدويرها في الهواء. يوضح الشكل أدناه مخططًا لإعداد هذا الاختبار. استغرق الأمر أكثر من 150 عامًا حتى تطورت هذه التقنية المبكرة إلى الأدوات والأساليب الحديثة المستخدمة في مجال الطيران والفضاء والهندسة المدنية (المصدر).
الشكل 2: مخطط مبكر لنظام ذراع دوار، مدفوع بوزن ساقط لاختبار تدفق الهواء على الأجسام (المصدر)
استُخدمت أنفاق الرياح المبكرة بشكل أساسي لمحاكاة تدفق هواء مستقر وثابت. وهذا جعلها مفيدة لتصميم الطائرات والأجنحة الهوائية في مجال الطيران والفضاء، وكذلك للتطبيقات المتعلقة بالسيارات.
بدا من المنطقي افتراض إمكانية استخدام أنفاق الرياح أيضًا في تطبيقات الهندسة المدنية لمحاكاة ظروف الرياح الحقيقية وتقييم كيفية تصرف الهياكل قبل البناء. ومع ذلك، أدرك المهندسون سريعًا أن تدفق الهواء السلس والثابت الذي تنتجه أنفاق الرياح الحالية لا يمثل بشكل واقعي السلوك الأكثر فوضوية واضطرابًا للرياح الجوية.
بالنسبة لتطبيقات الهندسة المدنية، كان تدفق الهواء في النفق بحاجة إلى إعادة إنتاج الخصائص الرئيسية للطبقة الحدودية الجوية، وهو ما كان من الصعب جدًا تحقيقه. لفهم السبب، نحتاج أولًا إلى النظر في كيفية تصرف الطبقة الحدودية الجوية.
ما هي الطبقة الحدودية الجوية؟
في ميكانيكا الموائع، الطبقة الحدودية هي المنطقة المجاورة لسطح ما حيث يتأثر التدفق بتفاعله مع ذلك السطح. في الطبقة الحدودية العامة، قد يكون التدفق صفائحيًا أو مضطربًا. ويعد رقم رينولدز، وهو قيمة بلا أبعاد تصف التأثير النسبي لقوى القصور الذاتي واللزوجة، أحد العوامل التي تؤثر على هذا السلوك.
تدعم أرقام رينولدز المنخفضة عمومًا التدفق الصفائحي، بينما تزيد أرقام رينولدز الأعلى من احتمالية الانتقال إلى التدفق المضطرب. ويمكن أن يؤثر خشونة السطح والاضطرابات والهندسة وعوامل أخرى أيضًا على هذا الانتقال. يوضح الشكل أدناه الفرق بين الطبقات الحدودية الصفائحية والمضطربة.
الشكل 3: عرض توضيحي للطبقة الحدودية في التدفق الصفائحي والمضطرب (المصدر)
الطبقة الحدودية الجوية هي الجزء الأدنى من الغلاف الجوي، حيث تتأثر الرياح مباشرة بسطح الأرض.
يشبه تدفق الرياح الجوية فوق سطح الأرض التدفق داخل طبقة حدودية مضطربة فوق سطح مسطح نسبيًا. عندما تتدفق الرياح فوق الأرض والتضاريس والمباني والأشجار وغيرها من معالم السطح، يتعطل التدفق، مما قد يولد اضطرابًا. كما ينتج الاضطراب عن الآثار الحرارية، حيث تسخن الشمس سطح الأرض وتتسبب في ارتفاع الهواء الأكثر دفئًا.
يمكن توليد اضطراب إضافي بواسطة الحمل الحراري الجوي المرتبط بالسحب. يوضح الشكل أدناه توضيحًا للطبقة الحدودية الجوية.
الشكل 4: بنية الطبقة الحدودية الجوية (المصدر)
إن إعادة إنتاج هذه الظروف الجوية في نفق الرياح أمر معقد. ولهذا السبب ظهرت تقنية نفق رياح الطبقة الحدودية لاحقًا في تاريخ أنفاق الرياح.
تشمل حالات الاستخدام الشائعة المدروسة باستخدام تجارب الطبقة الحدودية الجوية ما يلي:
- أحمال الرياح الفوضوية على المباني الشاهقة
- محاكاة تراكم الثلوج على الأسطح
- تدفق الرياح حول المباني الصناعية
- تدفق الرياح للمشاة في المناطق الحضرية
- آثار الاستيقاظ وسرعة التدفق في مزارع الرياح
- الأداء الديناميكي الهوائي للطائرات المسيّرة والمركبات الجوية غير المأهولة
تصميم تجارب الطبقة الحدودية
بالنسبة لتطبيقات الهندسة المدنية، يمكن تصنيف هذه التجارب بشكل عام إلى فئتين: آثار الرياح والبيئة على الهياكل.
آثار الرياح على الهياكل
أحد أكثر استخدامات نفق رياح الطبقة الحدودية شيوعًا هو دراسة كيفية توقع حركة المباني والهياكل تحت ظروف الرياح الجوية. يمكن تتبع الحركة الناجمة عن الرياح باستخدام الكاميرات، بينما يمكن لأجهزة استشعار الحمل عند قاعدة النموذج قياس قوى القص والعزوم المؤثرة على المبنى. يوضح الشكل أدناه مثالًا لنفق رياح الطبقة الحدودية مع هيكل يُستخدم لاختبار أحمال الرياح.
الشكل 5: نصب القوات الجوية الأمريكية في أرلينغتون، فرجينيا، مع مئذنة بارتفاع 270 قدمًا (82 مترًا) تخضع للاختبار في نفق رياح الطبقة الحدودية (المصدر)
اليوم، أصبح اختبار نفق رياح الطبقة الحدودية جزءًا راسخًا من تقييم كيفية استجابة المباني للرياح. في أونتاريو، على سبيل المثال، يجب اختبار أي مبنى يتجاوز ارتفاعه 60 مترًا، أو يزيد ارتفاعه عن أربعة أضعاف أقل عرض فعال له، في نفق رياح الطبقة الحدودية قبل البدء في تطويره.
تُستخدم أنفاق رياح الطبقة الحدودية أيضًا لدراسة النماذج المرنة هوائيًا التي تتعرض لتشوه ناتج عن الرياح أو حركات أخرى تزداد مع أحمال الرياح. عادة ما تكون هذه الهياكل مرنة، ومنخفضة الكتلة، وذات تخميد منخفض، مثل:
- المداخن
- الصواري
- الجسور طويلة المدى
- خطوط النقل
الآثار البيئية على الهياكل
حالة الاستخدام الثانية لنفق رياح الطبقة الحدودية في الهندسة المدنية هي دراسة الآثار البيئية. في المناخات الباردة، تُدرس عملية تراكم ونقل الثلوج على المباني ذات هياكل الأسطح الكبيرة. وهذا يتيح للمصممين معرفة أماكن تراكم الثلوج على المباني وتصميم الهيكل لمواجهة أحمال الثلوج الناتجة والتخطيط لإزالة الثلوج عند الضرورة. يوضح الشكل أدناه صورة لنموذج مصغّر يُستخدم لدراسة تراكم الثلوج في نفق الرياح.
الشكل 6: نموذج مصغّر لمبنى مغطى بمادة شبيهة بالثلج لمحاكاة تراكم الثلوج (المصدر)
يمكن للمباني المتقاربة أن تخلق مناطق يتسارع فيها تدفق الرياح حول مناطق المشاة. ويسمح التنبؤ وقياس متوسط ذروة هبات الرياح في هذه المناطق بتطوير أفضل للمواقع وتوفير تجربة أفضل للمشاة. تتطلب مدن مثل بوسطن وتورونتو ونيويورك وسان فرانسيسكو بيانات اختبار نفق رياح الطبقة الحدودية حول رياح مستوى المشاة مع وبدون الهياكل الجديدة قبل الموافقة على التطوير.
في المناطق الصناعية، تعد الانبعاثات من فتحات المباني والمداخن الصناعية والسيارات من بين المصادر الأكثر شيوعًا للملوثات الجوية، ويمكن أن يكون تشتتها وموقعها بعد الانبعاث صعب التتبع والتنبؤ. يسمح النمذجة الفيزيائية في نفق رياح الطبقة الحدودية للباحثين بتقدير كيفية تشتت الملوثات وتحديد الأماكن التي قد تحدث فيها تركيزات مرتفعة.
كيف يعمل نفق رياح الطبقة الحدودية؟
أراد الباحثون تكييف البنية التحتية الحالية لأنفاق الرياح لإجراء اختبارات الهياكل في ظروف رياح أكثر واقعية. ووجدوا أنه يمكن ضبط تدفق الهواء في نفق الرياح لمحاكاة الطبقة الحدودية الجوية. وقد حقق الباحثون ذلك عن طريق إضافة أجهزة ضبط التدفق، مثل المآذن ومولّدات الدوامات والأسوار، التي يمكنها إعادة إنتاج الطبقة الحدودية الجوية.
تعمل هذه الأجهزة عن طريق تعطيل تدفق الهواء السلس لإنشاء دوامات مضطربة تخلط الهواء أثناء تحركه في اتجاه المصب. ويخلق هذا الخلط تدفقًا مضطربًا ويغير ملف السرعة بحيث تزداد سرعة الرياح تدريجيًا مع الارتفاع، على غرار ملف سرعة الرياح الرأسي الموجود في الطبقة الحدودية الجوية. يمكن رؤية مثال على هذا النوع من أنظمة أنفاق الرياح في الشكل أدناه.
الشكل 7: نفق رياح تقليدي يحاكي ظروف الطبقة الحدودية الجوية مع نموذج مصغّر للمباني (المصدر)
كيفية توليد طبقة حدودية جوية باستخدام جدار رياح؟
يتكون جدار الرياح مثل WindShaper من مصفوفات مراوح دوارة متعاكسة يمكن التحكم فيها بشكل فردي، مما يمنح المشغل القدرة على توليد ظروف رياح واقعية موحدة أو مضطربة.
يمكن إعادة إنتاج الطبقة الحدودية الجوية باستخدام WindShaper عن طريق التحكم في ملفات سرعة الرياح والاضطراب عبر قسم الاختبار. ويمكن ضبط سرعة المروحة لتكون أقل في الصفوف السفلية وزيادتها تدريجيًا في الصفوف الأعلى. بالإضافة إلى ذلك، تسمح المراوح الدوارة المتعاكسة في كل وحدة مروحة لـ WindShaper بتوليد تدفق مضطرب دون الحاجة إلى قسم اختبار طويل مع أجهزة إضافية لضبط التدفق. يوضح الشكل أدناه توضيحًا لإعداد اختبار مع WindShaper وكتلة مبانٍ مصغّرة.
الشكل 8: منظر جانبي ثنائي الأبعاد لـ WindShaper وهو يولد ظروف الطبقة الحدودية الجوية
قص الرياح هو حالة أخرى ذات صلة بدراسات الرياح في الهندسة المدنية. وهو يصف تغيرًا في سرعة الرياح واتجاهها على مسافة معينة. لقد صنعنا فيديو يوضح كيف يمكن محاكاة قص الرياح باستخدام WindShaper وقياسه باستخدام WindProbe.
قام باحثون من UCLouvain بتثبيت WindShaper يسمح لهم بإعادة إنتاج الطبقة الحدودية الجوية لاختبار توربينات الرياح وديناميكيات مزارع الرياح. تستخدم الاختبارات نماذج مصغّرة لتوربينات الرياح، مما يسمح للباحثين بجمع البيانات بشكل أسرع وبتكلفة أقل بكثير من التجارب الميدانية كاملة الحجم. تخطط الجامعة أيضًا لاستخدام جدار الرياح لاختبار الطائرات المسيّرة والمروحيات والطيران المحاكي للطبيعة والظروف الجوية البيئية مثل المطر والثلوج.
الخلاصة
أصبح اختبار نفق رياح الطبقة الحدودية جزءًا مهمًا من الهندسة المدنية، حيث يدعم تطبيقات تتراوح من دراسات أحمال الرياح الهيكلية إلى تراكم الثلوج وتشتت الملوثات.
تعتمد هذه التجارب على قدرة المعدات على إعادة إنتاج ملفات سرعة الرياح وخصائص الاضطراب الموجودة في الطبقة الحدودية الجوية.
مع استمرار تحسن طرق الاختبار، تعمل تقنيات مثل WindShaper على توسيع كيفية إعادة إنتاج ظروف الرياح الجوية والتحكم فيها ودراستها في المختبر.
ما التطبيق الآخر الذي تعتقد أنه يمكن أن يستفيد من اختبار نفق رياح الطبقة الحدودية الجوية؟ أخبرنا في التعليقات.