2.1 Циркуляционные зоны у отдельно стоящих зданий простой формы

Расположенные на промышленной площадке здания и различного рода сооружения, являющиеся препятствиями на пути движения ветра, не только турбулизируют воздушный поток, но и являются причиной возникновения отрывных циркуляционных течений. Почти вся энергия ветра, затрачиваемая на преодоление сопротивления, переходит в энергию турбулентного и циркуляционного движения.

В общем случае отрыв пограничного слоя ветра и образование циркуляционных течений (циркуляционных зон) происходит под действием положительного градиента давления (в направлении ветра) и влиянием турбулентных вязких явлений.

Если рассматривать отдельно стоящее на открытой площадке здание простой архитектурной формы, на которое действует ветер в перпендикулярном одной из стен направлении, то на наветренной стене можно обнаружить некоторое положительное избыточное давление, на противоположной (подветренной) стене _ отрицательное давление. На поверхности земли положительное давление перед наветренной стеной ощущается на расстоянии до 4 высот здания и возрастает по мере приближения к зданию. На расстоянии до 1,5Н (максимально) перед зданием происходит отрыв основного потока ветра от поверхности земли и образуется наветренная циркуляционная зона (здесь Н _ высота наветренной стены).

Рис. 2.1 Основные типы циркуляционных зон, возникающих при обтекании производственных зданий ветром:

1 _ единая зона; 2 _ наветренная зона; 3 _ подветренная зона; 4 - зона подпора; 5 _ торцевая единая зона; 6 _ торцевая наветренная зона; 7 _ межкорпусная зона.

I, II _ отдельно стоящие здания; III_V _ смежные здания; VI _ затопленное здание.

В технической литературе по атмосфероохранной тематике, в том числе в нормативной, можно встретить разные названия отрывных течений: аэродинамическая тень, аэродинамический след, циркуляционная зона. Последний термин наиболее полно характеризует картину течений, наблюдающихся в зонах отрыва потока, поэтому в настоящей работе применяется только этот термин.

Циркуляционная зона представляет собой условно ограниченное пространство, примыкающее к ограждающим поверхностям зданий (любых плохообтекаемых препятствий), в котором наблюдается сложное возвратно-поступательное (циркулирующее) движение воздушных масс, вызванное отрывом пограничного слоя воздушного потока. Отрыв потока ветра происходит от всех кромок, образуемых ограждающими конструкциями зданий и всеми выступающими и западающими конструктивными элементами, поэтому бльшая часть здания (а иногда всё здание полностью) погружена в циркуляционные зоны.

Попадающие в циркуляционные зоны вредные вещества вовлекаются в циркуляционное движение и благодаря этому интенсивно распространяются в поперечном ветру направлении, загрязняя, как правило, весь объем этой зоны. Поэтому при анализе картины загрязнения атмосферы промплощадки в первую очередь необходимо определить границы всех циркуляционных зон и характер течений в этих зонах. На рис. 2.1 показаны основные типы циркуляционных зон.

Картина движения воздушных масс в циркуляционных зонах становится наглядной, если на схематический чертеж нанести линии тока, определяемые как геометрические места точек постоянного значения функции тока . Разность между двумя значениями этой функции равна количеству воздуха, протекающего между линиями тока и . Отсюда следует, что линии тока в случае обтекания достаточно длинного здания могут быть построены по измеренным в экспериментах профилям скорости потока. При этом расстояние между соседними линиями тока определяются из условия равенства площадей участков в пределах каждого профиля скорости, отсекаемых этими линиями.

На рис. 2.2 нанесены линии тока, построенные на основании измеренных профилей скорости ветра при обтекании двух разных моделей зданий. Здесь же нанесены границы циркуляционных зон и линии нулевых значений продольной составляющей скорости , отделяющие прямой поток циркуляционных масс воздуха от обратного потока.

Рис. 2.2. Циркуляционные зоны:

а - подветренная; б - наветренная; в _ единая.

Из этого рисунка видно, что в приземной области воздух движется навстречу потоку ветра, а вне этой области, ограниченной поверхностью, на которой продольная компонента скорости равна нулю, движение воздушных масс по направлению совпадает с основным потоком. Внешней границей циркуляционного течения является линия тока , построенная из условия равенства нулю интегрального расхода воздуха в осредненном турбулентном движении в направлении ветра и в противоположном направлении, то есть

,

где x, z _ горизонтальная (вдоль по потоку) и вертикальная координаты;

ux _ продольная компонента средней скорости ветра;

_ функции тока.

Граница зоны обратных токов (ux=0) и граница циркуляционной зоны =0 начинается в точке отрыва потока и заканчивается в одной общей точке _ точке присоединения, что очевидно следует из уравнения неразрывности.

Изучение качественной картины обтекания расположенных на однородной горизонтальной поверхности моделей зданий показало, что возникающая при срыве потока с наветренной кромки крыши циркуляционная зона может заканчиваться как на поверхности земли, так и на поверхности крыши (при достаточно большой ширине здания вдоль потока). В первом случае часть пространства над крышей за пределами границы циркуляционной зоны проветривается основным потоком ветра. Срываясь с подветренной кромки крыши, поток образует циркуляционную зону у подветренной стены здания (подветренную зону). В другом случае здание полностью погружено в циркуляционный поток, вследствие чего обратный поток движется у подветренной стены кверху, а над крышей _ в сторону наветренной кромки: циркуляционная зона является единой.

Отрыв потока ветра происходит также перед зданием у поверхности земли, вследствие чего у наветренной стены возникает циркуляционная зона подпора (см. фотографию на титульной странице).

Аналогичная зона возникает у подветренной стены в пределах единой и подветренной зон.

Срыв потока происходит не только с горизонтальных кромок здания, но и с вертикальных, вследствие чего у торцевых стен также возникают циркуляционные зоны.

Эти зоны могут быть едиными, то есть их длина может превышать длину торцевой стены, вследствие чего происходит слияние этих зон с подветренными зонами, и наветренными, то есть заканчивающимися у поверхности торцевой стены.

Таким образом, циркуляционные зоны, возникающие при обтекании ветром отдельно стоящих зданий простой формы, могут быть разделены на следующие разновидности:

_ зона подпора, возникающая перед наветренной стеной отдельно стоящего здания;

_ единая циркуляционная зона, возникающая при обтекании ветром узких (вдоль ветра) отдельно стоящих зданий;

_ наветренная циркуляционная зона, возникающая над крышей у наветренной стены здания;

_ подветренная циркуляционная зона, возникающая за подветренной стеной широкого отдельно стоящего здания;

_ единая торцевая зона;

_ наветренная торцевая зона.

При групповом расположении зданий между ними при определенных условиях возникает межкорпусная или сложная циркуляционная зона. Могут возникать две разновидности сложных зон:

_ сложная циркуляционная зона, возникающая при слиянии подветренной зоны широкого первого по потоку здания и зоны подпора второго здания;

_ сложная циркуляционная зона, возникающая при слиянии единой зоны первого по потоку узкого здания и зоны подпора второго здания.

В случае расположения на площадке зданий разной высоты могут возникать условия, когда зона подпора перед вторым по потоку зданием сливается с наветренной зоной впереди расположенного здания, вследствие чего возникает еще одна разновидность сложной зоны.

2.2 Классификация промышленных зданий

В зависимости от типа возникающих при действии ветра циркуляционных зон здания на промышленных площадках могут быть разделены на следующие классы:

_ узкие (вдоль ветра) здания, при обтекании которых возникает единая циркуляционная зона;

_ широкие здания, при обтекании которых возникают две циркуляционные зоны: наветренная и подветренная;

_ частично защищенные здания, часть наветренной стены которых защищена стоящим перед ним зданием; на крыше таких зданий возникает укороченная наветренная циркуляционная зона;

_ защищенные здания, вся наветренная стена которых защищена впереди стоящим зданием или сооружением и не подвержена прямому воздействию ветрового потока, вследствие чего над крышей таких зданий нет циркуляционных зон;

_ затопленные здания, полностью находящиеся в пределах циркуляционной зоны предыдущего здания;

_ частично затопленные здания;

_ отдельно стоящие здания, при обтекании которых отсутствует аэродинамическая связь с соседними зданиями и сложная циркуляционная зона не возникает;

_ смежные здания, связанные в аэродинамическом отношении общей сложной циркуляционной зоной;

_ длинные здания, у которых подветренная или единая зоны оканчиваются на поверхности земли;

_ короткие здания, у которых вследствие слияния циркуляционных потоков, срывающихся с торцевых стен, подветренная или единая зоны оканчиваются на некоторой высоте от поверхности земли (рис. 2.3).

Единая и подветренная циркуляционные зоны короткого здания (башни) состоят из двух частей: верхней, возникающей в результате отрыва потока от горизонтальных кромок крыши, воздушные потоки в которой циркулируют вокруг горизонтальной оси, и возникающей от слияния торцевых зон нижней, движение циркуляционных потоков в которой происходит вокруг вертикальной оси.

Длинными считаются здания, имеющие длину l, (размер в поперечном ветру направлении) наветренной стены более 1,41Н, короткими _ соответственно равную или мньшую 1,41Н (здесь Н _ высота здания).

Это соотношение получено из условия равенства размеров циркуляционных зон, возникающих у торцевых стен и над крышей здания.

Рис. 2.3. Короткое здание ("башенный" тип, l<1,41H).

В зависимости от класса зданий изменяется картина воздушных течений, поэтому одним из основных элементов расчета уровня загрязнения атмосферы на промышленных площадках является определение типов, размеров и положения границ циркуляционных зон, а также расчет полей скоростей в них. Для этого необходимы расчетные формулы, описывающие изменения размеров циркуляционных зон, положение границ и распределение скоростей вблизи ограждений зданий.

2.3 Основные зависимости для расчёта размеров циркуляционных зон

Характерным размером циркуляционной зоны является ее наибольшая длина, измеренная в направлении движения ветра от точки отрыва до точки присоединения потока (в проекции на горизонтальную плоскость). Размеры циркуляционных зон для различных преград и условий их расположения на местности изменяются в широких пределах в зависимости от ряда факторов. Основными влияющими факторами являются относительные размеры преграды, ветрозащищенность, строение пограничного слоя ветра перед нею, зависящее от характера предлежащей местности и расположенных вверх по потоку других преград (зданий, сооружений, растительности и т.п.).

В связи с тем, что размеры циркуляционных зон зависят от большого числа факторов, путь определения вида расчетных зависимостей на основании только экспериментальных данных не представляется рациональным. Целесообразно, исходя из некоторых предпосылок, получить эти зависимости в общем виде, затем экспериментальным путем определить входящие в них значения постоянных величин.

В основу рабочей гипотезы положен вывод о пропорциональности длины циркуляционной зоны коэффициенту гидравлического сопротивления обтекаемой турбулентным потоком модели. Рабочая гипотеза заключается в том, что характер изменения длин циркуляционных зон принимается таким же, что и характер изменения коэффициента сопротивления. Таким образом, определив зависимости коэффициента сопротивления моделей, подобных различным типам зданий, сможем определить общий вид формул, описывающих изменение размеров циркуляционных зон отдельно стоящих зданий. Благодаря этому оказалось возможным использовать для получения расчетных зависимостей не только результаты собственных исследований, но и многочисленные данные, приведенные в публикациях по различным вопросам аэродинамики. Полученные расчётные зависимости удовлетворительно соответствуют экспериментальным данным.

На промышленных площадках отдельно стоящие (в аэродинамическом смысле) здания и сооружения встречаются редко. Большинство зданий связаны между собой сложными циркуляционными течениями, переносящими попадающие в них выбросы от одного здания к другому. Часто можно наблюдать, как загрязняющие вещества переносятся к зданиям, находящимся на наветренной стороне площадки по отношению к источнику выброса.

Исходными данными для определения координат границ сложных циркуляционных зон являются размеры основных типов простых циркуляционных зон, которые можно рассчитать по следующим формулам (при l >1,41H и направлении ветра вдоль оси симметрии здания):

_ единая зона

м, (2.1)

_ наветренная зона

м, (2.2)

_ подветренная зона

м; (2.3)

_ зона подпора

м. (2.4)

В формулах (2.1) _ (2.4) приняты обозначения:

le, lн, lпв, lп _ длина циркуляционной зоны единой, наветренной, подветренной, подпора соответственно, м;

l, b, Н _ длина (расстояние между разбивочными осями здания в поперечном ветру направлении), ширина (то же, вдоль ветра) и высота здания (расстояние от поверхности земли до уровня кровли или до верха сплошного парапета при его наличии) соответственно, м;

_ толщина вытеснения пограничного слоя ветра, набегающего на здание (характеризует строение пограничного слоя ветра, претерпевшего изменения вертикальных скоростных профилей под воздействием обтекаемых им зданий и сооружений), м;

_ интеграл Гаусса;

t _ обозначение выражения в скобках под знаком интеграла .

Индексы означают: е, н, пв _ единая, наветренная, подветренная зоны; п _ зона подпора. Здесь и дальше начало координат расположено в центре проекции соответствующей отрывной кромки

Расчетной длиной циркуляционной зоны считается наибольшее расстояние в плане (по оси симметрии здания) вдоль направления ветра от отрывной кромки крыши или стены до точки присоединения потока (конца зоны), лежащей на поверхности земли, на крыше или стене того же или соседнего здания. Под отрывными кромками зданий и их элементов понимаются линии пересечения плоскостей стен и крыш и стен между собой.

Рассмотрим подробнее структуру приведенных зависимостей, справедливых для зданий длиной l >1,41Н.

Зависимость (2.1) состоит из известных в математической статистике функций распределений Вейбулла, Розина_Раммлера и логарифмически нормального, каждая из которых табулирована, что существенно облегчает их практическое использование.

Особенностью зависимости (2.1) является то, что в ней учтено влияние как размеров зданий, так и строения пограничного слоя ветра (что весьма существенно), характеризуемого толщиной вытеснения пограничного слоя http://sam-vl.narod.ru/Aerodynamics/Aerodynamicsw.htm - _ftn4. Величину можно рассматривать как расстояние, на которое отодвигаются от препятствия линии тока внешнего течения, то есть ветра, вследствие образования пограничного слоя. Если толщину вытеснения умножить на скорость потока на уровне , получим разность между расходом воздуха, проходящего в пограничном слое со скоростью внешнего потока, и действительным расходом воздуха в пограничном слое. На основании этого свойства величина численно равна площади под экспериментальным профилем скорости, деленной на длину отрезка прямой, соответствующей величине скорости невозмущенного потока.

Из зависимости (2.1) следует, что с увеличением толщины вытеснения длина циркуляционной зоны уменьшается. Объясняется этот факт тем, что с увеличением уменьшается количество движения воздушного потока, направленного вдоль наветренной стены вертикально вверх и оттесняющего основной поток от поверхности крыши здания (эффект воздушной завесы).

Интенсивность турбулентности внешнего потока влияет на характеристики пограничных слоев, возникающих при продольном обтекании шероховатой поверхности. Это влияние проявляется в изменении формы профиля скорости набегающего на препятствия потока: при сильно турбулизированном потоке распределение скоростей по нормали к ограничивающей поверхности более монотонное, нежели при слаботурбулентном потоке, что связано с передачей импульса потоку в направлении, нормальном граничной поверхности. На основании этого можно сделать вывод о том, что влияние турбулентных характеристик на размеры циркуляционных зон может быть учтено через величину, характеризующую строение пограничного слоя набегающего потока, то есть через параметр .

Следует заметить, что в связи с существованием зависимости толщины пограничного слоя от числа Рейнольдса набегающего потока размеры циркуляционных зон также должны меняться в зависимости от этого критерия. В лабораторных условиях установлено, что при поперечном обтекании длинной пластины, расположенной на экране, длина циркуляционной зоны увеличивается на 13% при увеличении скорости набегающего потока примерно в два раза. Из этого следует, что зависимость длины зоны отрыва от скорости ветра слабая, поэтому ею можно пренебречь в диапазоне наиболее часто повторяющихся скоростей ветра.

Толщину вытеснения пограничного слоя (параметр ) в пределах и за i_ой циркуляционной зоной (вдоль ветра) можно вычислить по формулам:

при ; (2.6)

при , (2.7)

где _ длина последней циркуляционной зоны, расположенной перед рассматриваемой зоной, м.

_ начальное значение толщины вытеснения, м;

_ наибольшее для данной циркуляционной зоны значение толщины вытеснения, м;

x _ текущее расстояние (в плане) вдоль потока ветра от отрывной кромки соответствующей циркуляционной зоны до рассматриваемого сечения, м;

a _ коэффициент, значение которого следует принимать равным: для единой зоны a=2,54; для наветренной зоны a =2,16; для подветренной зоны _ следует вычислять по формуле:

. (2.8)

Экспериментальным путем установлено, что начальное значение относительной толщины вытеснения равно: для единой и наветренной циркуляционных зон 0,015, для подветренной зоны и за ней это значение следует вычислять по формуле (2.7), подставляя в нее исходные данные для наветренной зоны и расстояние x от наветренной до подветренной стены здания (ширину b).

Относительная величина равна: для единой зоны 0,19; для наветренной 0,13 и для подветренной 0,24.

Если первое по потоку ветра здание на площадке является отдельно стоящим по отношению к препятствиям (зданиям, сооружениям) , расположенным перед ним, параметр следует вычислять по формуле (2.7), отсчитывая расстояние x от отрывной кромки последней циркуляционной зоны (если x не превышает 30 высот последнего препятствия); при x>30 высот последнего препятствия в случае, когда перед первым зданием находится горизонтальная площадка, поросшая травой или покрытая снегом, следует принимать = 1 м; местность, поросшая деревьями, _ = 10 м; местность, застроенная зданиями высотой 1_2 этажа, _ = 15 м. Если перед рассматриваемым зданием находится сплошной забор, следует рассчитать длину единой зоны и на её основе вычислить .