Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет “Львівська політехніка”

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Аеродинамічна інтерференція систем висотних будівель і споруд циліндричної форми

Копилов Олексій Євгенович

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

Львів - 2005

Анотація

Копилов О.Є. Аеродинамічна інтерференція систем висотних будівель і споруд циліндричної форми. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Національний університет “Львівська політехніка” Міністерства освіти і науки України, Львів, 2005.

У дисертації досліджено вплив аеродинамічної інтерференції на вітрове навантаження, що діє на висотні будівлі та споруди циліндричної форми.

Досліджувалися поміщені у потік групи двох, трьох, чотирьох колових циліндрів. Експериментальні дослідження охоплювали поверхневу візуалізацію у гідродинамічному каналі, а також вимірювання розкладів тисків на поверхнях моделей та в їхньому сліді в аеродинамічній трубі. У роботі запропоновано авторську методику виконання аеродинамічних досліджень, придатну для потреб сучасного будівництва. Наведено експериментально одержані значення основних аеродинамічних коефіцієнтів (коефіцієнта аеродинамічного опору, бічної аеродинамічної сили та числа Струхаля), необхідних для розрахунку груп висотних будівель і споруд циліндричної форми на дію вітру.

В роботі описано новий метод активного керування аеродинамічним слідом, який виникає за поодиноким коловим циліндром. Метод полягає у зміні циркуляції потоку навколо циліндра, що досягалося випорскуванням з поверхні циліндра струменів газу із заданою частотою.

Ключові слова: аеродинамічний слід, коефіцієнт аеродинамічного опору та бічної аеродинамічної сили, розклад тисків, метод збереження імпульсу, метод інтегрування тисків виміряних на поверхні моделі, кут атаки.

Аннотация

Копылов А.Е. Аэродинамическая интерференция систем высотных зданий и сооружений цилиндрической формы. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Национальный университет “Львовская политехника” Министерства образования и науки Украины, Львов, 2005.

Диссертационная работа посвящена исследованию влияния аэродинамической интерференции на величину ветровой нагрузки, действующей на системы высотных зданий и сооружений цилиндрической формы круглого сечения.

Введение содержит обоснование актуальности темы, в нём сформулированы цель и задачи исследований, приведены основные научные результаты, полученные автором, показаны их научная новизна, практическое и теоретическое значение в области строительства.

В первом разделе изложено современное состояние вопроса и сформулированы задачи исследований. Анализ выполненных исследований показал, что существует очень мало экспериментальных и натурных исследований влияния аэродинамической интерференции на величину нагрузки групп высотных зданий и сооружений, имеющих в плане сечение круга. Кроме того, представленная в литературе методика проведения экспериментальных аэродинамических исследований устарела и не удовлетворяет современным требованиям архитектуры и строительства.

Во втором разделе представлена разработанная на основе анализа трудов предшественников и собственного опыта методика выполнения аэродинамических исследований, пригодная для современных потребностей строительства. Описаны этапы выполнения экспериментов и обработки полученных результатов: моделирование аэродинамических характеристик потока, представлены требования к оборудованию, измерительной аппаратуре и моделям. Детально описана использованная автором техника проведения экспериментов в гидроканале и аэродинамической трубе. Приведены основные зависимости необходимые для вычисления аэродинамических коэффициентов Сх, Су, St. Доказана эффективность сочетания экспериментальных исследований в аэродинамической трубе и гидроканале.

Третий раздел посвящен анализу экспериментально полученных значений основных аэродинамических коэффициентов Сх, Су, St систем двух, трех, четырех круглых цилиндров, необходимых для определения ветровой нагрузки действующей на высотные сооружения подобной формы. В работе определены коэффициенты аэродинамического сопротивления Сх как для группы цилиндров в целом, так и для составляющих элементов системы. Путем сочетания экспериментальных исследований в аэродинамической трубе и гидроканале описан механизм явления аэродинамической интерференции, возникающей во время оплывания ветровым потоком групп высотных зданий исооружений круглого сечения.

В четвертом разделе представлен новый метод активного управления аэродинамическим следом за высотными сооружениями кругового сечения для уменьшения действующей на них ветровой нагрузки. Метод заключается в изменении циркуляции потока вокруг поверхности цилиндра. В результате применения этого метода можно изменить основные параметры аэродинамического следа, что возникает при оплывании круглого цилиндра: на 70% уменьшить ширину аэродинамического следа и на 50% длину вихревой дорожки Кармана, ликвидировать зону отрывания вихрей.

Ключевые слова: аэродинамический след, коэффициент аэродинамического сопротивления и боковой аэродинамической силы, метод сохранения импульсов, метод интегрирования давлений измеренных на поверхности модели, угол атаки.

Abstract

Kopylov O.Ye. The aerodynamic interference of group of high-altitude constructions with the circular form of components.- Manuscript.

The thesis for taking the degree of Candidate of Technical Sciences on speciality 05.23.01 - “Building construction, buildings and structures”. - Lviv Polytechnic National University, Lviv, 2005.

The thesis is devoted to research of influence of an aerodynamic interference on magnitude of wind loading of systems of high-altitude buildings and constructions of the cylindrical form.

The flow through the group of two, three and four circular cylinders was investigated, including the flow visualization in hydraulic channel and the measurement of pressure distribution on the cylinders surface and in the wake in the wind tunnel. In work is presented the author's technique of performance of aerodynamic experiments which is possible to use in a building practice. In work are received the main aerodynamics coefficients (drag forces coefficient, coefficient of lateral forces and Strouhal number) necessary for calculation of groups of high-altitude buildings and constructions of the cylindrical form.

The new technique of active management by an aerodynamic wake behind of single circular cylinder is presented. The offered method is based on changes of circulation of a stream by means of injection of a gas (water) trickle from a cylinder surface with given frequency and a push.

Key words: the aerodynamic wake, the drag coefficient, the lateral force, the pressure distribution, momentum loss method, the method of integration of pressure distribution measured on a surface of model, angle of attack.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Будівництво висотних будівель та споруд є основною тенденцією розвитку мегаполісів. Однією з причин, що гальмує розвиток висотного будівництва в Україні, є відсутність сучасної нормативної бази. Про нагальну потребу оновлення та вдосконалення вітчизняних норм, пов'язаних із будівництвом висотних будівель та споруд, свідчить жвава дискусія серед науковців, проектантів, підрядних організацій та споживачів, яка давно вийшла за межі спеціалізованих фахових видань. Часто не враховують наслідків взаємодії декількох висотних будівель та споруд, розміщених на незначній відстані одна від одної, спричинених аеродинамічною інтерференцією. Це призводить до дискомфорту мешканців, передчасної втомлюваності конструкцій, явищ аеродинамічної нестійкості конструкцій тощо. Через це все частіше в пресі ставиться питання про недоцільність будівництва хмарочосів.

Про необхідність натурних, модельних і теоретичних досліджень як важливого етапу під час проектування та розрахунку конструкцій, чутливих до дії вітру, свідчить значна кількість публікацій з цієї тематики як у провідних вітчизняних, так і у закордонних фахових виданнях. Щороку в світі відбувається декілька міжнародних конференцій, на яких питанням аеродинамічної інтерференції колових циліндрів надається пріоритетне значення. Серед них варто відзначити Паризьку конференцію “8^TH International Conference on flow-induced vibration FIV2004”, на якій значна частина робіт стосувалась питань опливання колових циліндрів. Таке зацікавлення цією проблемою в будівництві викликано, з одного боку, економічними чинниками - підвищенням цін на землю і, як наслідок, необхідністю будувати вищі будинки та споруди, з іншого боку - потребами сучасної архітектури, яка вимагає впровадження нових форм конструкцій, для втілення яких потрібне глибше розуміння впливу вітрового навантаження.

Дотепер залишаються недостатньо вивченими фізичні закономірності сумісної роботи груп висотних будівель та споруд колового перерізу. Недостатньо науково обґрунтовані рекомендації для вибору основних аеродинамічних коефіцієнтів, необхідних під час конструювання об'єктів подібного типу.

У зв'язку з усіма вищенаведеними аргументами тема дисертації становить як науковий, так і практичний інтерес і є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є складовою частиною науково-дослідної роботи кафедри „Архітектурні конструкції” Національного університету „Львівська політехніка” і виконана в межах бюджетної науково-дослідної теми „Аеродинамічна інтерференція висотних споруд з урахуванням рельєфу місцевості” (номер державної реєстрації 0104U002306).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є одержання основних аеродинамічних характеристик моделей груп висотних будівель та споруд циліндричної форми, розміщених у вітровому потоці, а також розроблення нового методу активного керування аеродинамічним слідом для зменшення аеродинамічного навантаження.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв'язати такі завдання:

- розробити методику експериментальних аеродинамічних досліджень, яка відповідає сучасним потребам будівництва;

- виконати експериментальні дослідження моделей висотних споруд циліндричної форми в гідродинамічному каналі (візуалізація опливання із застосуванням методу лазерного ножа) та в аеродинамічній трубі (вимірювання розкладів тиску в аеродинамічному сліді та на поверхнях моделей);

- на основі порівняльного аналізу результатів, одержаних у гідравлічному каналі та аеродинамічній трубі описати механізм аеродинамічної інтерференції, яка виникає між системами двох, трьох, чотирьох колових циліндрів;

- обчислити основні аеродинамічні коефіцієнти моделей, необхідні для розрахунку висотних будівель та споруд циліндричної форми;

- дослідити вплив розміщення в системі колових циліндрів циліндра з шорсткою поверхнею на значення аеродинамічних коефіцієнтів сусідніх циліндрів;

- розробити новий метод зменшення вітрового навантаження, що діє на висотні споруди циліндричної форми.

Об'єкт дослідження - моделі висотних будівель і споруд циліндричної форми, які розміщені у вітровому потоці.

Предмет дослідження - аеродинамічна взаємодія (інтерференція), що виникає між циліндричними елементами колового перерізу, поміщеними у вітровий потік.

Методи досліджень - поставлені завдання вирішувались за допомогою виконання експериментальних досліджень. У гідродинамічному каналі застосовувалася поверхнева візуалізація опливання моделей із використанням “лазерного ножа”. В аеродинамічній трубі виконувалися статичні вимірювання розкладів тиску на поверхнях моделей та в аеродинамічному сліді. Для обчислення аеродинамічних коефіцієнтів груп циліндрів загалом застосовувався метод збереження імпульсу, для складових елементів системи - метод інтегрування розкладів тиску на поверхні моделі.

Наукова новизна одержаних результатів.

· На основі узагальнення, порівняння робіт попередників розроблено методику виконання аеродинамічних досліджень придатних до потреб сучасного будівництва.

· Одержано широкий спектр основних аеродинамічних коефіцієнтів необхідних для проектування висотних будівель та споруд циліндричної форми: коефіцієнт аеродинамічного опору Сх (як для системи загалом, так і для її складових елементів), коефіцієнт аеродинамічної бічної сили Су (лише для складових елементів системи) та числа Струхаля St.

· Досліджено вплив розміщення в системі колових циліндрів циліндра з шорсткою поверхнею на аеродинамічні коефіцієнти сусідніх циліндрів.

· Описано аеродинамічну взаємодію між елементами колового перерізу застосуванням порівняльного аналізу результатів візуалізації опливання моделей колових циліндрів, виконаних в гідродинамічному каналі та результатів експериментів, одержаних у аеродинамічній трубі.

· Доведено ефективність поєднання виконання експериментів у гідродинамічному каналі та аеродинамічній трубі.

· Розроблено новий метод активного керування аеродинамічним слідом для зменшення вітрового навантаження, що діє на висотні будівлі та споруди циліндричної форми. Метод полягає у зміні циркуляції опливання довкола поверхні циліндра, що зменшує ширину та довжину аеродинамічної стежки (до двох разів), повністю ліквідує зону відривання вихорів.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані результати мають як практичну, так і теоретичну цінність. Результати дають змогу визначити статичне навантаження від дії вітру двох, трьох, та чотирьох будівель та споруд циліндричної форми з різною геометрією розміщення в просторі. Отримані значення чисел Струхаля можуть бути використані під час перевірки можливості виникнення резонансу. Запропонована методика експериментальних досліджень придатна для вивчення аеродинамічних характеристик висотних споруд різної форми. Одержані результати можна використати для подальшого вдосконалення норм розрахунку на дію вітру систем висотних споруд циліндричної форми. Результати досліджень можуть бути використані під час перевірки ефективності комп'ютерних програм, які математично моделюють процеси опливання тіл.

За результатами дисертаційної роботи розроблено рекомендації з визначення статичного аеродинамічного навантаження на багатостовбурні димові труби із урахуванням явища аеродинамічної інтерференції.

Одержані результати застосовані у навчальному процесі НУ “Львівська політехніка”, а також у виробничій діяльності проектних організацій Західного регіону України.

Особистий внесок автора. Викладені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особисто автору належить:

· збирання, аналіз, узагальнення експериментальних та теоретичних праць різних авторів, що стосуються питань взаємодії груп циліндричних елементів колового перерізу поміщених у потік;

· розроблення методики та виконання усіх експериментальних досліджень;

· статистичне опрацювання інформації, яка отримана під час виконання експериментальних досліджень груп колових циліндрів;

· систематизація і науковий аналіз одержаних результатів експериментально-теоретичних досліджень;

· розроблення рекомендацій з визначення аеродинамічних параметрів вітрового навантаження на висотні будівлі та споруди циліндричної форми.

У дослідженнях, виконаних у співавторстві, внесок автора був визначальним. Прізвища співавторів, які брали участь у вирішенні окремих питань, наведено у списку публікацій.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати дисертаційної роботи були подані, доповідались і обговорювались на IV Міжнародному симпозіумі “Впливи оточення на будинки і споруди - навантаження, реакції, взаємодія, дискомфорт” (Польща, Сусєц, 16-18 червня 2004), XVI Всепольській конференції з механіки суцільних середовищ (Ваплєво, жовтень 2004), на VIII Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції: погляд в минуле і майбутнє” (Київ, 18-22 жовтня 2004), на польсько-українському семінарі “Теоретичні основи цивільного будівництва” (Дніпропетровськ, червень 2005), на Четвертій євро-африканській конференції з інженерії вітру (Прага, липень 2005), на семінарах Інженерно-будівельного факультету Варшавської політехніки (керівник семінару д.т.н., проф. М. Вітковський). У повному обсязі закінчена дисертаційна робота доповідалась 6 вересня 2005р. на розширеному семінарі кафедр “Будівельні конструкції та мости”, “Архітектурні конструкції” Національного університету “Львівська політехніка” (керівник семінару д-р техн. наук, проф. Б.Г. Демчина).

2. Основний зміст роботи

Вступ містить обґрунтування актуальності теми, в ньому сформульовано мету і задачі досліджень, наукову новизну і практичне значення роботи, розкрито її значення в галузі будівництва.

У першому розділі проаналізовано стан питання і наукові досягнення у галузі дослідження дії вітру на групи елементів споруд циліндричної форми. Крім того, проаналізовано праці, що стосуються вивчення опливання течією колових циліндрів з різних галузей науки і техніки за період 1914-2005 рр.

Дослідженням вітрових навантажень та впливів на будівлі та споруди займались Є. Горохов, А. Давенпорт, І. Добрянський, С. Жуковський, Т. Карман, Р. Кінаш, В. Кулябко, В. Пашинський, А. Перельмутер, М. Попов, Г. Соларі, С. Пічугін, А. Югов, І. Холопов та багато інших науковців.

Безпосередньо аеродинамічна інтерференція досліджена у працях М. Казакевича, Р. Чисєльського, М. Студнічкової, Г.Савицького, Є. -А. Журавського, К. Купера, Я. Кавецького, М. Матсумото, С. Прайса, Г. Рушевея, Р. Сканлана, Е. Сіміа, М. Ван Дайка, А.Фляги, Е. Блазік-Борової, М. Здравковича та інших вчених. Усі ці автори сходяться на думці, що для одержання основних аеродинамічних показників, які характеризують вплив вітру на групи будівель і споруд циліндричної форми, необхідні експериментальні дослідження.

З аналізу літератури випливає, що викладена в підручниках з прикладної аеродинаміки та архітектурно-будівельної аеродинаміки техніка виконання аеродинамічного експерименту була пристосована передусім до умов авіації і не дає повних відповідей на питання, що виникають під час досліджень впливу вітру на навантаження будівельних конструкцій.

Досліджувався передовсім вплив аеродинамічної інтерференції на будівлі і споруди, які складалися з одного та двох колових циліндрів. Практично відсутні роботи, що стосуються дослідження аеродинамічної інтерференції трьох і чотирьох колових циліндрів. Більшість експериментальних робіт виконувалось для малих значень чисел Рейнольдса (Re?1000) і тому наведені в них аеродинамічні коефіцієнти не можуть бути використані у галузі будівництва. Дуже мало також експериментальних праць, виконаних на натурних об'єктах. У дисертації в табличній формі наведено перелік основних експериментальних робіт з вивчення впливу аеродинамічної інтерференції на вітрове навантаження, що діє на групи споруд циліндричної форми.

На підставі огляду літератури і виконаного аналізу стану питання сформульовані мета і завдання досліджень.

У другому розділі подано розроблену на основі аналізу праць попередників методику виконання аеродинамічних досліджень, придатну для потреб сучасного будівництва.

Розроблена методика передбачає поєднання експериментальних досліджень у гідродинамічному каналі та аеродинамічних трубах. Картини візуалізації опливання тіл потоком, виконані у гідравлічному каналі, є незамінними під час аналізу даних, одержаних в аеродинамічній трубі. Для швидкостей напливу, що зустрічаються в будівництві, явища, які спостерігали в аеродинамічній трубі, повторювалися у гідравлічному каналі. Порівняно з іншими методами виконання візуалізації у гідравлічному каналі має низку переваг: одержані картини візуалізації є наочними, роботи, пов'язані із виконанням експериментів, менш трудомісткі і дешевші. Так, використовуючи цю методику, були визначені оптимальні відстані між моделлю та апаратурою для вимірювання розкладів тиску в аеродинамічному сліді, отримано додаткові дані, що розкривають механізм аеродинамічної інтерференції тощо.

У розділі детально описано технологію виконання експериментів у гідравлічному каналі та аеродинамічній трубі; наведено перелік необхідного обладнання та матеріалів, які застосовували під час експериментальних досліджень.

Розглянуто основні критерії подібності, які використовують в експериментальній аеродинаміці під час моделювання параметрів опливання та створення моделі. Серед них для потреб будівельно-архітектурної аеродинаміки найважливішим є дотримання критеріїв геометричної й динамічної подібності досліджуваних тіл, рівність чисел Рейнольдса Re, Ейлера Eu та Струхаля St:

; (1)

; (2)

; (3)

де p_? - нормальний тиск напливу на поверхню тіла; с_? - густина середовища у незбуреному потоці; L - характерний розмір поперечного перерізу тіла; U -швидкість напливання повітря; н - кінематична в'язкість середовища; n - частота відривання вихорів від тіла, що опливається.

Для одержання коефіцієнтів аеродинамічного опору Сх груп моделей висотних споруд колового перерізу загалом застосовано метод збереження імпульсу. Для цього перед і за моделлю за допомогою гребеня вимірювався розклад швидкостей (рис. 1).

Після підстановки у (4) виміряних по ширині сліду д швидкостей V₁ та V₂ одержано значення аеродинамічного опору групи колових циліндрів:

_, (4)

де D - характерний поперечний переріз розглядуваного тіла.

Для визначення коефіцієнтів аеродинамічного опору Сх та бічної аеродинамічної сили Су окремих елементів використано метод інтегрування розкладів тисків на поверхнях моделей. Для цього по периметру моделі вимірювався розклад тисків.

Коефіцієнт аеродинамічного опору складових елементів моделі обчислювали застосовуючи залежність:

; , (5)

де ц - кут між трубками для вимірювання тиску.

Відповідно до завдань досліджень, сформульованих в першому розділі роботи, та розробленого алгоритму виконання аеродинамічних експериментів придатних для потреб будівництва, запропоновано програму виконання експериментальних аеродинамічних досліджень. Програмою передбачено дослідження чотирьох найпоширеніших в будівельній практиці конфігурацій колових циліндрів: систем двох та трьох циліндрів (з лінійним розміщенням елементів); системи з трьох колових циліндрів із розміщенням елементів на вершинах трикутника; системи з чотирьох елементів із розташуванням елементів на вершинах квадрата (табл. 1).

Таблиця 1 Програма аеродинамічних досліджень груп колових циліндрів

1. Підготовчий етап. Підбір параметрів напливу в аеродинамічній трубі, гідродина-мічному каналі (вибір швидкості, необхідної турбуленції). Вибір розмірів моделі
2. Експериментальний етап аеродинамічних досліджень
2.1. Калібрація аеродинамічної труби та гідравлічного каналу
2.2. Експериментальний етап проведення аеродинамічних досліджень
Параметр, що вимірюється	Місце виконання експерименту	Досліджувані моделі
		2 циліндри	3 циліндри з лінійним розміщенням	3 циліндри “трикутник”	4 циліндри “квадрат”

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

		б	S	б	S	б	S	б	S
Розклад тисків в сліді за моделлю, розклади тисків на поверхні моделі	Аеродинамічна труба	00-900 крок 150	0,5D-3D крок 0,5D	00-900 крок 150	0,5D-2D крок 0,5D	00-900 крок 150	0,5D-2D крок 0,5D	00-900 крок 150	0,5D-3D крок 0,5D
Траєкторії при опливанні циліндрів	Гідродинамічний канал	-//-	-//-	-	-	-//-	-//-	-//-	-//-
Частота відривання вихорів за моделлю	-//-	00, 900	0; 0.1D; 0.3D; 0.5D; 0.8D	-	-	00; 900; 1800	0; 0.1D; 0.3D; 0.8D	00; 450	0; 0.8D
3. Обробка результатів експериментальних досліджень
Шукана величина	Застосований метод
Коефіцієнт аеродинамічного опору системи циліндрів загалом	Метод збереження імпульсів
Коефіцієнт аеродинамічного опору елементів системи та бічної аеродинамічної сили	Метод інтегрування розкладів тисків на поверхні моделей
Число Струхаля	Застосування стандартних формул (3)
4. Порівняльний аналіз результатів
5. Розробка методу активного керування аеродинамічним слідом

Умовні позначення прийняті в табл.1 : б - кут атаки повітря, градуси; S- відносна відстань між циліндрами S=L/D; D - діаметр моделі; L - відстань між стінками циліндрів.

Під час експериментальних досліджень в аеродинамічній трубі застосовувалися моделі з латунних та алюмінієвих труб діаметром D=60 мм і висотою 960мм з гладкою й шорсткою поверхнями. Коефіцієнт відносної шорсткості поверхні становив 0,0167. Турбуленція напливу повітря в аеродинамічній трубі дорівнювала 6%. Число Рейнольдса, визначене для поодинокого циліндра, становило 88000.

Для виконання візуалізації опливання в гідродинамічному каналі застосовано циліндри діаметром D=20 мм і висотою H=96 мм. Число Re одержане для поодинокого циліндра становило 1600, швидкість руху води у вимірювальній камері досягала 0,08 м/с, рівень турбуленції не перевищував 5%.

У третьому розділі наведено та проаналізовано результати аеродинамічних досліджень систем з двох, трьох, чотирьох колових циліндрів. Для досліджуваних форм, наведених в табл.1, одержано значення коефіцієнтів аеродинамічного опору Сх, бічної аеродинамічної сили Су та числа Струхаля.

Аналіз результатів виконано із застосуванням картин візуалізацій одержаних автором у гідравлічному каналі, що дало змогу описати механізм аеродинамічної взаємодії, яка виникає між системою циліндрів та потоком. Для лінійного розміщення груп двох та трьох колових циліндрів виявлено явище бістабільності опливання. Явище проявлялося в тому, що у разі симетричного розміщення елементів перпендикулярно до напрямку напливу потік відхилявся, і елементи були по-різному навантажені (наприклад, для двох циліндрів різниця між навантаженнями становила 40%).

Одержані розклади тисків в аеродинамічному сліді досліджуваних систем довели, що за малих відстаней між елементами (до 3D) опливання групи циліндрів відбувається подібно до опливання монолітної брили. Це обґрунтувало застосування методу збереження імпульсів для одержання коефіцієнтів аеродинамічного опору систем циліндрів загалом.

Вимірявши розклади тисків на поверхнях моделей, одержано значення коефіцієнтів аеродинамічного опору Сх і бічної аеродинамічної сили Су. Значення коефіцієнта Су були на один порядок менші від коефіцієнтів Сх.

Для визначення коефіцієнтів аеродинамічного опору як окремих циліндрів так і системи загалом за допомогою апроксимаційного полінома четвертого степеня одержано залежності типу:

, (6)

де б - кут атаки повітря (б[0⁰ч90⁰]); k₁-k₅ - обчислені коефіцієнти (для системи “трикутник” коефіцієнти наведено у табл. 2, для інших систем коефіцієнти подано в дисертаційній роботі).

Таблиця 2 Коефіцієнти k для визначення значення аеродинамічного опору Сх системи “трикутник” загалом та окремих елементів залежно від кута атаки повітря та відстані між циліндрами

Три циліндри у системі “трикутник” загалом
S/D	k1	k2	k3	k4	k5
0,5	1.56129Ч10-7	-3.27191Ч10-5	0.00217808	-0.0472811	0.504503
1	7.41372Ч10-8	-1.12637Ч10-5	0.000398735	0.00186769	0.18717
1,5	8.45534Ч10-8	-1.03967Ч10-5	0.00020307	0.00525863	0.397667
2	8.94063Ч10-8	-1.47873Ч10-5	0.000736083	-0.0121076	0.501707
2,5	-9.83868Ч10-9	1.76981Ч10-6	-8.03789Ч10-5	-0.00108587	0.44734
Циліндр №1
0,5	-6.85469Ч10-7	0.000122974	-0.00629248	0.0579011	1.1269
1	-3.7589Ч10-7	6.43758Ч10-5	-0.00309459	0.0275939	0.9377
1,5	-1.78079Ч10-8	-9.17029Ч10-6	0.0016714	-0.0716469	1.10818
2	-3.17318Ч10-7	4.46104Ч10-5	-0.00142933	-0.01398	1.27379
Циліндр №2
0,5	-3.15171Ч10-8	4.46602Ч10-6	-0.00011893	0.00257722	0.725594
1	1.55299Ч10-7	-3.39717Ч10-5	0.00242489	-0.0577427	1.24027
1,5	1.17432Ч10-7	-2.03914Ч10-5	0.000999011	-0.00850546	0.857832
2	8.16895Ч10-8	-1.56959Ч10-5	0.000939051	-0.0220944	1.38724
Циліндр №3
0,5	-4.97764Ч10-8	8.85276Ч10-6	-0.000631155	0.0228972	0.831133
1	-7.66135Ч10-9	-1.04119Ч10-6	0.000170531	-0.000694339	0.913472
1,5	-3.75957Ч10-8	5.66556Ч10-6	-0.00025683	0.00700952	0.857222
2	-4.74994Ч10-9	-9.86055Ч10-7	0.000208447	-0.00431177	0.908491

У розділі доведено неприпустимість додавання коефіцієнтів аеродинамічного опору окремих циліндрів для одержання опору системи загалом. Значення коефіцієнтів аеродинамічного опору, отримані для окремих циліндрів групи істотно (іноді до 100%) відрізняються від коефіцієнтів, одержаних для системи загалом. Значення аеродинамічного опору Сх залежало від кута атаки повітря та відстані між елементами системи. Так, наприклад, під час досліджень трьох колових циліндрів з лінійною геометрією розміщення різниця між значеннями Сх систем з різними відстанями S між елементами сягала 70%. Зміна кута атаки могла спричинити багатогаторазове зростання або зменшення коефіцієнта аеродинамічного опору як системи загалом так і окремих елементів. Зміна кута атаки б від 0⁰ до 30⁰ призводила до збільшення значення Сх циліндра №3 на 50%.

У роботі доведено, що результати одержані для систем двох колових циліндрів, за певних умов можна переносити на системи, які складаються з трьох (лінійне розміщення складових) і чотирьох елементів. Для певних кутів атаки умови опливання циліндрів в системах “квадрат” і “трикутник” будуть схожими. Опливання системи “квадрат” можна розглядати як частковий випадок опливання системи “трикутник”.

Для системи чотирьох колових циліндрів “квадрат” при куті атаки повітря 45⁰, не залежно від відстані між елементами, значення Сх циліндра №3 набуває фіксованого значення і дорівнює 0,4.

Вимірюючи частоти пульсацій в сліді за моделями визначено числа Струхаля St систем двох, трьох, чотирьох колових циліндрів. Значення чисел St одержані для груп циліндрів загалом, при відстанях S=0-0,3D були меншими від нормативного значення 0,2, поданого в чинних нормах. Так, значення числа Струхаля системи двох циліндрів, розміщених один в сліді другого, буде на 40% меншим від числа St, отриманого для поодинокого циліндра. Зміна відстані між стінками циліндрів істотно впливає на значення числа Струхаля досліджуваних систем. Найстійкішою до таких змін виявилася система “трикутник” для кута атаки повітря б=0⁰. За малих відстаней між стінками циліндрів (S=0.1-0.4D) числа Струхаля систем двох (б=90⁰) та чотирьох (б=0⁰) колових циліндрів були рівними.

Частотні характеристики опливання дворядних систем („трикутник”, чотири циліндри) будуть відрізнятися від опливання двох колових циліндрів (б=90⁰) через гальмування потоку на елементах першого ряду та повторне відривання на циліндрах другого ряду, тому між графіками функціймоделей з однаковими характерними розмірами поперечного перерізу будуть деякі відмінності. Загалом, значення чисел Струхаля для тіл з однаковим характерним розміром поперечного перерізу змінювалися за однаковим законом: збільшення відстані між елементами системи приводило до зростання числа St.

Досліджено вплив розміщення циліндра з шорсткою поверхнею (обладнаного турбулізатором) на аеродинамічний опор сусідніх циліндрів. Залежно від відстані між стінками циліндрів та геометрії розміщення системи значення аеродинамічного опору циліндрів може змінитися до 40%.

У разі розміщення циліндра з шорсткою поверхнею в центрі системи „трикутник” значення аеродинамічного опору сусідніх циліндрів будуть меншими від аналогічних величин, одержаних для груп, що складалися лише з гладких циліндрів. Особливо корисним такий вплив буде для малих відстаней між циліндрами (S=0.5D). Значення Сх сусідніх зменшаться на 45%.

Наявність циліндра з шорсткою поверхнею у системі з лінійним розміщенням циліндрів приведе до зростання значень Сх сусідніх циліндрів на 15%.

У четвертому розділі охарактеризовано розроблений автором новий ефективний метод активного керування аеродинамічним слідом (АКС) за висотними спорудами колового перерізу для зменшення вітрового навантаження, що діє на них. Метод полягає в зміні циркуляції потоку навколо поверхні циліндра. Це досягалося випорскуванням струменів води (газу) з лобової поверхні циліндра із заданою частотою в бік, протилежний до напливу. Також запропоновано техніку зміщення фаз відривання вихорів типу Кармана, для цього в місцях відривання від циліндра вихорів здійснювалося випорскування струменів.

Для реалізації методу АКС було розроблене і виготовлене спеціальне устаткування - пульсатор.

За допомогою бінарного електромагнітного перемикача вода із заданою частотою поперемінно надходила то до одного, то до іншого каналу. Частота роботи системи регулювалася за допомогою генератора прямокутного сигналу. Електромагнітний перемикач живився постійною напругою 30В від блока живлення. Тиск напливу води регулювали високоточним голковим краном. За допомогою голкового крана тиск води, яка пульсувала змінювали від 0 до 20 кПа. Частота пульсації змінювалася в межах від 0,5 до 5 Гц з кроком 0,5Гц. Швидкість напливу води в гідравлічному каналі становила близько 10 см/с.

Внаслідок застосування запропонованого методу АКС можна змінити основні аеродинамічні параметри сліду, що виникає за коловим циліндром: порівняно із циліндром, не обладнаним засобами керування слідом, вдалося на 70% зменшити ширину аеродинамічного сліду та на 50% довжину вихрової стежки Кармана, ліквідувати зону відривання.

Досліджено, що на ефективність запропонованого методу найбільший вплив має частота випорскування рідини з отворів. Так, найменша ширина аеродинамічного сліду спостерігалася для частот випорскування, в десять разів вищих від частот відривання вихорів з циліндра, не обладнаного засобами АКС. Порівняльний аналіз впливу зміщення фаз відривання вихорів Кармана та зміни циркуляції напливу наведено у табл. 3.

Таблиця 3 Порівняння параметрів опливання циліндрів, обладнаних засобами АКС з класичним опливанням циліндра

Назва порівнюваного параметра	Досліджувані моделі
	Розмір	Розмір	Частота пульсації, Гц	Тиск, кПа	Розмір	Частота пульсації, Гц	Тиск, кПа
Ширина аеродинамічної стежки	1D	2ч2.5D	fприр	10	0,5D	1ч3fприр	12.5
		2ч2.5D	fприр	12,5	0,5D	10fприр	12.5
		2D	1,25fприр	12,5	0,5D	10fприр	7.5
		2.5D	1,25fприр	20
Довжина аеродинамічної стежки	9D	6D	fприр	10	4D	1ч3fприр	12.5
		6D	1,25fприр	12,5	2ч4D	10fприр	7.5
		4D	1,25fприр	20	2ч4D	10fприр	12.5
Глибина зони відривання	1D	0,3ч0,5D	fприр	10	0,3D	3fприр	7.5
		0,1ч0,3D	1,25fприр	10ч12,5	0	10fприр	12.5

Умовні позначення до табл.4. : D - діаметр циліндра; fприр - частота відривання вихорів від циліндра, не обладнаного засобами АКС; 1 - активний канал; 2 - пасивний канал.

аеродинамічний вітровий навантаження будівля

Основні висновки

1. На основі аналізу та синтезу праць попередників і власного досвіду розроблено методику виконання аеродинамічних досліджень, придатну для потреб сучасного будівництва.

2. Доведено доцільність поєднання виконання експериментів у гідроканалі та у аеродинамічній трубі.

3. Штучне збільшення турбуленції напливу повітря в аеродинамічній трубі (до 6%) дало змогу одержати коефіцієнти аеродинамічного опору у критичній області числа Рейнольдса, що робить можливим застосування отриманих результатів як під час проектування натурних об'єктів, так і у разі розв'язання теоретичних задач.

4. Експериментально одержано необхідні для розрахунку висотних споруд колового перерізу значення коефіцієнтів аеродинамічного опору Сх (як для системи загалом, так і для окремих елементів), бічної аеродинамічної сили Су та числа Струхаля St для систем двох, трьох, чотирьох колових циліндрів.

5. Отримано залежності, за допомогою яких можна знайти значення коефіцієнта аеродинамічного опору систем двох, трьох, чотирьох колових циліндрів враховуючи відстані між елементами та напрямок кута атаки повітря.

6. Результати досліджень свідчать, що значення аеродинамічних коефіцієнтів, отримані для груп колових циліндрів загалом будуть істотно (іноді до 100%), відрізнятися від коефіцієнтів, одержаних для окремих циліндрів. Тому додавання аеродинамічних коефіцієнтів поодиноких циліндрів для розрахунку значень аеродинамічних коефіцієнтів системи загалом є неприпустимим.

7. Досліджено вплив присутності циліндра з шорсткою поверхнею (обладнаного турбулізатором) на значення аеродинамічних коефіцієнтів сусідніх елементів системи. Змінюючи геометрію розміщення шорсткого циліндра в просторі та відстані між стінками елементів, можна змінити коефіцієнти аеродинамічного опору сусідніх елементів до 40%.

8. На підставі аналізу результатів, одержаних в аеродинамічній трубі та гідродинамічному каналі, описано механізм аеродинамічної інтерференції, яка виникає під час опливання систем з двох, трьох, чотирьох колових циліндрів.

9. Одержані результати можуть бути застосовані для тестування програмного забезпечення, яке моделює опливання вітровим потоком будівель і споруд.

10. Розроблено новий активний метод зменшення вітрового навантаження, що діє на висотні споруди циліндричної форми, який полягає у зміні циркуляції опливання навколо поверхні циліндра.

11. Результати перевірки ефективності роботи запропонованого методу виконані у гідроканалі довели, що застосування пульсатору дає змогу істотно змінити аеродинамічне навантаження висотних споруд циліндричної форми: зменшити до 70% ширину аеродинамічної стежки, вдвічі скоротити її довжину та ліквідувати зону відривання вихорів.

12. Розроблено рекомендації із розрахунку на дію вітрового навантаження будівель і споруд циліндричної форми.

Список опублікованих праць

Основні положення дисертації опубліковано у виданнях, які відповідають переліку ВАК України:

1. Кінаш Р.І., Копилов О.Є. Аеродинамічні дослідження чотирьох колових циліндрів // Вісник НУ "Львівська політехніка" "Теорія і практика будівництва". - 2004. - № 495. - С.88-92.

2. Кінаш Р.І., Коваленко В.А., Копилов О.Є. Експериментальні дослідження числа Струхаля для поодинокого циліндра круглого перерізу // Вісник ДонДАБА “Вплив вітру на будівлі та споруди”. - 2001.- Т.1, 4(29). - С.118-122.

3. Кінаш Р.І., Копилов О.Є. Аеродинамічні дослідження тандему з двох колових циліндрів //Вісник НУ "ЛП" "Теорія і практика будівництва". - 2002. - №441 - С.85-94.

4. Кінаш Р.І., Копилов О.Є. Методи гасіння коливань димарів викликаних відриванням вихорів типу Бенарда-Кармана // Вісник ДДАБА “Будівельні конструкції, будівлі та споруди”. - 2003. - 2003-2(39) - С.39-45.

5. Кінаш Р.І., Копилов О.Є. Порівняльний аналіз норм проектування висотних споруд на дію вітру // Журнал ДонДАБА “Металеві конструкції”. - Т. 4, вип. 1. - 2001. - С. 31-43.

6. Кінаш Р.І., Стасюк М.І., Копилов О.Є. Аналіз аеродинамічних досліджень колових циліндрів // Вісник ДонДАБА “Будівельні конструкції,будівлі та споруди”. Том 1, 2001-5(30), 2001. - С.70-78.

7. Кінаш Р.І., Копилов О.Є. Візуалізація явища гідродинамічної інтерференції під час опливання в'язки колових циліндрів. Вісник НУ "ЛП" "Теорія і практика будівництва". №520, 2005. - С.97-101.

Праці, які додатково відображають результати досліджень:

8. Кінаш Р.І., Копилов О.Є. Визначення коефіцієнта аеродинамічного опору колових циліндрів // Металлические конструкции: вигляд в прошлое и будущее. Сборник докладов VIII Украинской научно-технической конференции. Часть 2. - К.: Сталь, 2004 - С.401-406.

9. Вітковський М., Войчеховський Я., Копилов О. Метод пульсуючих струменів для активного керування аеродинамічним слідом // Proc. International Conf. Theoretical Foundations of Civil Engineering. The 13 Polish-Ukrainian Transactions. - Dnipropetrovs'k - Warsaw. - 2005. - P.661-668.

10. Копилов О.Є. До питання аеродинамічної інтерференції моделей висотних споруд циліндричної форми // Перспективні напрямки проектування житлових та громадських будівель. Спеціальний випуск. Тенденції в архітектурі та будівництві. -2003. - С. 198-199.

11. Копилов О.Є., Кінаш Р.І. Проблеми розрахунку на дію вітру висотних споруд циліндричної форми // Матеріали міжнародної наукової конференції студентів, аспірантів, молодих вчених. Вісник ДонДАБА. -2002. - Т.1, 2002-3-(34). - с.27-29.

12. Kinasz R., Kopylov O., Wojciechowski J., Їuraсski J.A. Aerodynamic Investigations of Three Circular Cylinder System // Materiaіy IV Sympozjum “Wpіywy њrodowiskowe na budowle i ludzi - obci№їenia, oddziaіywania, interakcje, dyskomfort”. - Krakуw, Lublin, Susiec (Poland). - 2004. - S. 39-42.

13. Kopylov O., Wojciechowski J. Aerodynamic interference of a set of circular cylinders // Proc. The Fourth European & African Conference on Wind Engineering. - Prague (Czech Republic). - 2005. - P.182-183.

14. Kopylov O., Wojciechowski J. Hydrodynamiczna interferencja wiazki walcow kolowych // XVI Krajowa Konferencja Mechaniki Plynow. Streszczenia referatow. - Waplewo (Poland). - 2004. - S.37-38.

15. Kopylov О. Hydrodynamic Interference of Circular Cylinders // Materialy IV Sympozjum “Wpіywy њrodowiskowe na budowle i ludzi - obci№їenia, oddziaіywania, interakcje, dyskomfort” - Krakуw, Lublin, Susiec (Poland).- 2004. - S.43-48.

16. Kopyіow O., Witkowski M., Wojciechowski J. Pomiary oporu Aerodynamicznego zespoіu dwуch cylindrуw i rozkіadуw ciњnienia na њciankach elementуw zespoіu // Theoretical Foundations of Civil Engineering. The 13 Polish-Ukrainian Transactions. - Dnipropetrovs'k - Warsaw - 2005. - P.669-676.

Особистий внесок автора у публікаціях. У всіх працях виготовлення моделей, виконання експериментальних досліджень, обробка та аналіз результатів досліджень належить автору.

Размещено на Allbest.ru

...