Вступ
Автор — Адам Кахраман
Від часу винайдення аеродинамічної труби інженери знайшли безліч застосувань. Інструмент аеродинамічних досліджень став важливим для літакобудування, а згодом і цивільної інженерії: вітрових навантажень, руху конструкцій, впливу середовища та перевірок будівельних вимог.
Стаття знайомить із дослідженнями примежового шару в трубах (BLWT), труднощами відтворення природного вітру та сучасними технологіями атмосферних дослідів.
Зміст
- Вступ
- Досліди BLWT у цивільній інженерії
- Що таке атмосферний примежовий шар?
- Планування експерименту
- Вплив вітру на конструкції
- Вплив середовища
- Як працює BLWT?
- Відтворення атмосферного шару вітровою стіною
- Висновок
Рисунок 1. 3D-модель випробування будівель за допомогою WindShaper
Досліди BLWT у цивільній інженерії
Перші задокументовані досліди впливу повітря датуються 1742 і 1759 роками. Об’єкти закріплювали на обертових важелях і рухали крізь повітря. Нижче схема. Понад 150 років знадобилося для розвитку до сучасних методів аерокосмічної й цивільної інженерії (джерело).
Рисунок 2. Рання система обертового важеля з приводом від вантажу, що падає (джерело)
Перші труби відтворювали переважно сталий плавний потік, корисний для літаків, профілів і автомобілів.
Здавалося логічним застосувати їх для оцінки будівель до спорудження. Проте гладкий сталий потік не відтворював хаотичної турбулентності атмосфери.
Для цивільної інженерії потрібно відтворити ключові характеристики атмосферного примежового шару, що значно складніше. Розгляньмо його поведінку.
Що таке атмосферний примежовий шар?
У механіці рідин і газів це область біля поверхні, де потік залежить від взаємодії з нею. Він може бути ламінарним чи турбулентним. Один із чинників — безрозмірне число Рейнольдса, відношення інерційних і в’язких сил.
Нижче Re зазвичай сприяє ламінарному потоку, вище — переходу до турбулентності. Також впливають шорсткість, збурення й геометрія. Відмінності показано нижче.
Рисунок 3. Ламінарний і турбулентний примежові шари (джерело)
Атмосферний примежовий шар — найнижча частина атмосфери, де вітер безпосередньо залежить від земної поверхні.
Вітер над землею нагадує турбулентний шар над відносно плоскою поверхнею. Рельєф, будівлі й дерева збурюють його. Турбулентність також виникає через нагрівання землі Сонцем і підйом теплого повітря.
Додаткове джерело — атмосферна конвекція, пов’язана з хмарами. Нижче ілюстрація.
Рисунок 4. Структура атмосферного примежового шару (джерело)
Відтворити ці умови складно, тому BLWT з’явилися пізніше за звичайні труби.
Типові застосування:
- Хаотичні вітрові навантаження висотних будівель
- Накопичення снігу на дахах
- Потік навколо промислових будівель
- Вітер на рівні пішоходів
- Аеродинамічні сліди й швидкість у вітропарках
- Характеристики дронів і БПЛА
Планування експерименту
У цивільній інженерії досліди загалом поділяють на вплив вітру й середовища.
Вплив вітру на конструкції
Типове завдання — прогноз руху будівель у природному вітрі. Камери відстежують переміщення, датчики в основі моделі — поперечні сили й моменти. Нижче приклад.
Рисунок 5. Випробування Меморіалу ВПС США в Арлінгтоні зі шпилем до 270 футів (82 м) (джерело)
BLWT стали усталеною частиною оцінки вітрової реакції. У наведеному прикладі Онтаріо будівлі понад 60 м або заввишки більш ніж чотири мінімальні ефективні ширини мають проходити такі випробування перед будівництвом.
Також вивчають аеропружні моделі, де деформація й рух зростають із навантаженням. Це зазвичай гнучкі, легкі, слабко демпфовані конструкції:
- Димові труби
- Щогли
- Великопрогонові мости
- Лінії електропередач
Вплив середовища
У холодному кліматі вивчають накопичення й перенесення снігу на великих дахах. Це показує зони накопичення, дає змогу врахувати навантаження й спланувати прибирання. Нижче масштабна модель.
Рисунок 6. Модель із матеріалом, що імітує сніг (джерело)
Щільна забудова прискорює вітер у пішохідних зонах. Середні й пікові пориви враховують для кращого планування та комфорту. У статті наведено Бостон, Торонто, Нью-Йорк і Сан-Франциско як міста, що вимагають даних із новими будівлями й без них до схвалення забудови.
У промзонах викиди вентиляції, труб і автомобілів складно простежити. Фізичні моделі BLWT допомагають оцінити розсіювання й місця підвищеної концентрації.
Як працює труба примежового шару?
Для реалістичніших умов дослідники додали до наявних труб шпилі, генератори вихорів та огорожі, які відтворюють атмосферний шар.
Вони порушують гладкий потік, створюють вихори й перемішування. Швидкість поступово зростає з висотою, як в атмосфері. Нижче приклад.
Рисунок 7. Традиційна труба з імітацією атмосферного шару й моделями будівель (джерело)
Як відтворити атмосферний шар вітровою стіною?
Стіна на кшталт WindShaper складається з індивідуально керованих пар вентиляторів протилежного обертання для реалістичного рівномірного або турбулентного потоку.
Нижні ряди працюють повільніше, вищі — поступово швидше, відтворюючи профілі швидкості й турбулентності. Протилежне обертання вентиляторів створює турбулентність без довгої робочої частини й додаткових пристроїв. Нижче модель кварталу.
Рисунок 8. Вигляд збоку WindShaper, що відтворює атмосферний шар
Зсув вітру — зміна швидкості й напрямку на певній відстані — також важливий. Ми підготували відео з імітацією за допомогою WindShaper і вимірюванням через WindProbe.
Дослідники UCLouvain встановили WindShaper для відтворення атмосферного шару й випробування вітротурбін та динаміки вітропарків. Масштабні моделі дають дані швидше й дешевше за натурні випробування. Також плануються дрони, вертольоти, біоміметичний політ, дощ і сніг.
Висновок
BLWT важливі для цивільної інженерії: від вітрових навантажень до снігу й забруднювачів.
Досліди залежать від здатності обладнання відтворювати профілі швидкості й турбулентність атмосферного шару.
WindShaper та інші технології розширюють можливості відтворення, контролю й дослідження природного вітру в лабораторії.
Які ще застосування виграли б від таких випробувань? Напишіть у коментарях.