Аэродинамические расчёты при проектировании вентиляционных выбросов

3.1 Анализ архитектурных компоновок промышленных зданий

Анализ проектов и материалов обследований предприятий показывает, что здания простой формы (параллелепипеды) на промышленных площадках встречаются редко. Большинство зданий имеют перепады высот, надстройки, пристройки и различные конструктивные элементы (фонари и т.д.) на крышах. Разнообразие архитектурно-планировочных решений велико, поэтому в целях упорядочения методов расчета и проектирования вентиляционных выбросных и воздухоприемных сооружений целесообразно классифицировать здания по сложности аэродинамической картины, возникающей при действии ветра. Можно выделить следующие группы:

1. Здания простой формы (здания в виде параллелепипеда с плоской крышей без выступающих и западающих конструктивных элементов, надстроек и пристроек); здания этой группы делятся на длинные и короткие.

2. Здания простой формы по п.1, имеющие большие размеры в плане, с расположенными на кровле различными конструктивными элементами небольших (относительно высоты здания) размеров (фонари, шахты, галереи и т.п.) и оборудованием (вентиляторы, очистное оборудование, технологические установки и т.п.).

3. Здания с надстройками больших относительных размеров.

4. Здания переменной этажности (уступчатые), имеющие секции разной, последовательно возрастающей высоты (длинные и короткие).

5. Здания, имеющие пристройки одинаковой с основным корпусом и неодинаковой высоты.

6. Здания, имеющие полузамкнутые и замкнутые дворы.

Производственные здания больших размеров в плане с одинаковой высотой пролетов часто имеют на крыше различного рода возвышающиеся сравнительно малогабаритные элементы: светоаэрационные фонари, воздухозаборные галереи и шахты, выбросные шахты и т. п. Каждый такой элемент является препятствием, тормозящим движение воздушного потока и порождающим циркуляционные течения. В большом числе случаев на крышах расположены выбросы малой высоты (аэрационные фонари, трубы и шахты высотой 1,5_2 м, дефлекторы, крышные вентиляторы.) При расчете интенсивности рассеяния загрязняющих веществ от этих выбросов возникает необходимость в учете влияния локальных циркуляционных зон, образующихся при срыве ветра с различных выступающих конструктивных элементов.

В подобных обстоятельствах плоскую крышу здания можно рассматривать как своего рода промышленную площадку в миниатюре Каждый выступающий элемент _ это отдельная постройка. Между смежными элементами возникают сложные (межкорпусные) циркуляционные зоны. Следовательно, в этом случае можно применить методы расчета, разработанные для промышленных площадок.

Рис. 3.1. Загрязненные дымом пространства у зданий с надстройками, расположенными у торцов

а _ надстройка расположена у наветренной стены здания;

б _ то же, у подветренной стены;

1 _ источник дыма; 2_ здание; 3 _ надстройка;

Заштрихованы загрязненные пространства

Стрелкой обозначен источник дыма

Однако необходимо учитывать некоторые особенности. Здание должно быть широким; рассматриваться может только участок крыши за пределами наветренной зоны. На образование циркуляционных зон и на их размеры огромное влияние оказывает наветренная циркуляционная зона всего здания, поэтому в расчетах это обстоятельство должно быть обязательно учтено. Автором выполнены экспериментальные исследования картины течений, возникающих при обтекании зданий различной архитектурной формы.

Исследования проводили как инструментальными методами, так и путем визуализации потоков с помощью дымов (в пространстве) и специальных растворов, меняющих окраску при взаимодействии с трассирующими газами (на плоскости). Методом визуализации оказывается возможным обнаружить возвратные течения, кромку отрыва циркуляционных зон, а также выявить взаимодействие соседних циркуляционных зон. Конец (область присоединения) циркуляционной зоны также достаточно просто может быть обнаружен путем перемещения малогабаритного источника дыма вдоль твердых граничных поверхностей.

Применялся специальный прибор, в комплект которого входит тонкая пластина, на которой укреплены миниатюрный линейный источник тепла и два термочувствительных элемента. Датчики температуры находятся по обе стороны от источника тепла. Если поместить пластину в область ветвления воздушного потока (в конец циркуляционной зоны), то оба датчика будут показывать одинаковую температуру. Датчики соединены с электрическим мостом. Если индикатор показывает ноль, источник тепла находится в конце циркуляционной зоны.

Границу обратного потока определяли с помощью микрофлюгеров, источников дыма и пневмометрических микротрубок.

Рассмотрим несколько примеров. На рис.2.5 показаны два характерных случая взаимного расположения зданий и направления движения дыма, выделяемого без начального импульса стационарным точечным источником (рисунок скопированы с фотографии). Видно, что примеси могут интенсивно переноситься от второго (по потоку ветра) здания к первому, загрязняя все пространство между зданиями.

Рис. 3.2. Загрязненные дымом пространства у зданий с надстройками, расположенными посредине крыши

а _ источник дыма расположен у подветренной стены здания;

б _ то же, у подветренной стены надстройки;

в _ то же, у наветренной стены надстройки;

1 _ источник дыма; 2 _ здание; 3 _ надстройка:

Заштрихованы загрязненные пространства.

Стрелкой обозначен источник дыма.

На рис. 2.5,а первое длинное здание ниже второго, относящегося к "башенному" типу. Источник дыма расположен на наветренной стене второго здания. Примеси от источника переносятся воздушным потоком вниз, затем вдоль поверхности экрана движутся к первому зданию, загрязняют пространство над его крышей и затем распространяются, вдоль по потоку ветра. Попадая в подветренную циркуляционную зону второго здания, примеси перемещаются вверх и достигают крыши. Таким образом, загрязняется обширное пространство (заштриховано) между зданиями и за вторым зданием, что свидетельствует о существовании сложных взаимосвязанных циркуляционных течений, возникающих при воздействии ветра на эти здания.

Если оба здания являются, "башнями" (высота превосходит размеры основания), то межкорпусная циркуляционная зона, возникающая между ними, существенно отличается от таковой в случае длинных зданий. Эта зона представляет собой пространство, вытянутое вверх, в котором циркуляционное движение воздушных масс осуществляется вокруг вертикальной оси, в то время как между длинными зданиями (рис. 2.5,б) воздушные массы циркулируют вокруг горизонталь

На рис. 2.5,б видно, что примеси от источника, расположенного на наветренной стене второго здания на высоте, равной половине высоты этого здания, равномерно распространяются вверх и вниз, затем перемещаются к первому зданию. Загрязненным оказывается довольно обширное пространство за первым зданием и над его крышей. Второе здание полностью погружено в загрязненный воздушный поток (факел распространяющихся примесей).

Таким образом, можно заключить, что даже здания простой формы при различном взаимном расположении на площадке могут создавать сложную картину воздушных течений и переносимых ими загрязняющих веществ.

Более сложными в аэродинамическом смысле являются здания с надстройкам и пристройками. В дальнейшем под надстройкой будем понимать часть здания, возвышающуюся над крышей основного корпуса и имеющую высоту, соизмеримую с высотой основного здания. Это может быть многоэтажная секция административных и бытовых помещений, участок технологического оборудования большой высоты, многопролетный цех с разной высоты пролетами и т.п. Надстройка может быть расположена в любой части здания. Рассмотрим несколько случаев ее расположения и картину воздушных течений при разных направлениях ветра.

На рис. 3.1 и рис. 3.2 показаны разные варианты расположения надстройки и характер движения дыма, выделяемого точечным источником. Переменной в опытах была длина наветренной зоны, изменявшаяся посредством регулирования толщины вытеснения пограничного слоя ветра, набегающего на здание.

Если надстройка расположена с наветренной стороны здания (рис. 3.1,а), то в результате срыва потока с наветренной кромки крыши возникает единая циркуляционная зона, которая может оканчиваться на поверхности крыши основного здания пли за пределами здания, если последнее имеет небольшие размеры. Дым от источника, расположенного у подветренной стены здания, циркулирующими массами воздуха переносится на крышу здания и пристройки, что свидетельствует о существовании общей циркуляционной зоны, охватывающей всё здание. В рассмотренном случае расчёт размеров циркуляционных зон не может быть выполнен по существующей методике из-за неясности выбора расчетной высоты здания.

Если надстройка расположена у подветренной стороны здания, то может возникнуть несколько вариантов циркуляционных зон. Это различие вариантов зависит от относительного расстояния от наветренной стены здания до наветренной стены надстройки. В зависимости от этого расстояния происходит взаимодействие наветренной циркуляционной зоны с зоной подпора, возникающей перед надстройкой. Рассматриваемый тип сложной циркуляционной зоны оставался практически не изученным, хотя в реальных условиях встречается часто.

На рис. 3.1,6 показан случай слияния наветренной зоны и зоны подпора, что подтверждается характером распространения дыма. Дым от точечного источника, расположенного у наветренной стены надстройки, распространяется не кверху, а вдоль крыши в сторону наветренной кромки здания. Затем задымленный воздушный поток поворачивает и движется попутно с ветром. Такой характер распространения дыма свидетельствует о существовании сложного циркуляционного течения, возникающего в результате взаимодействия наветренной зоны с зоной подпора.

Если расстояние между наветренными стенами здания и пристройки велико, взаимодействия зон наветренной и подпора может не происходить, обе эти зоны существуют самостоятельно. При уменьшении указанного расстояния зона подпора перед надстройкой может не возникать, образуется лишь укороченная наветренная зона. Таким образом, рассмотренный вариант расположения надстройки является довольно сложным.

Если надстройка расположена на некотором удалении от обоих торцов здания, то при ее обтекании ветром могут возникать несколько вариантов циркуляционных зон (рис.3.2). Когда надстройка находится ближе к наветренной стене и имеет небольшую высоту (по сравнению с высотой основного здания), наветренная зона может поглощать надстройку полностью. При увеличении расстояния от наветренной стены здания до надстройки последняя может быть как широкой, так и узкой (в аэродинамическом смысле). Это значит, что за надстройкой может возникать либо единая, либо подветренная зона (рис.3.2,а). Перед надстройкой могут возникать такие же зоны, что и в случае, показанном на рис.3.2,б.

Рассмотрим несколько других случаев расположения надстройки на здании. Если надстройка расположена у подветренной стороны здания таким образом, что подветренные стены надстройки и здания лежат в одной плоскости, то основную трудность представляет расчет длины циркуляционной зоны за надстройкой. Особенность заключается в том, что длина этой зоны зависит от расстояния между наветренной стеной здания и наветренной стеной надстройки (в плане) и от длины наветренной зоны, которая в свою очередь зависит от толщины вытеснения пограничного слоя ветра.

Из формул (2.1) и (2.2) следует, что длины единой и наветренной зон находятся в обратной связи с толщиной вытеснения и при больших значениях последней длины этих зон уменьшаются до нуля. При рассмотрении аэродинамики течений за надстройкой выяснилась иная картина. Чем больше толщина вытеснения набегающего на здание потока, тем длиннее циркуляционная зона за зданием. Объясняется это тем, что часть наветренной стены надстройки оказывается затененной наветренной зоной и это затенение тем больше, чем длиннее наветренная зона, то есть чем меньше толщина вытеснения набегающего потока ветра. Чем больше затенение наветренной стены надстройки, тем короче зона, возникающая за зданием.

За зданием с надстройкой возникает комбинированная циркуляционная зона, состоящая из подветренной зоны и как бы накрывающей ее сверху единой зоны (если надстройка в аэродинамическом смысле является узкой). Единая зона возникает вследствие оттеснения ветрового потока от крыши здания воздушным потоком, отклоняемым вертикально вверх плоскостью наветренной стены.

Рассмотрим далее случай расположения надстройки на некотором удалении от наветренной и подветренной стен здания. Этот случай отличается от предыдущего лишь тем, что внутри комбинированной циркуляционной зоны может находиться часть здания, вследствие чего объем этой зоны уменьшается. Уменьшение свободного объема циркуляционной зоны влечет за собой уменьшение размеров самой зоны. Можно представить случай, когда за препятствием объем циркуляционной зоны заполнен воздухонепроницаемым материалом (например, снегом) от поверхности земли до границы обратного потока. В этих условиях циркуляционная зона не может возникнуть и обтекание препятствия будет происходить без отрыва потока. Подобное явление можно наблюдать при заполнении снегом пространства за снегозадерживающими щитами.

Методика построения циркуляционных зон за зданием с надстройкой, расположенной у наветренной стороны здания, не отличается от таковой для здания простой формы. Граница зоны строится без учета низкой части здания, но область присоединения будет находиться в месте пересечения границы с поверхностью крыши низкого здания.

При воздействии ветра на здание с надстройкой, несколько удаленной от наветренной стены, возникает сложное циркуляционное течение. Оно образуется в результате взаимодействия наветренной зоны и зоны подпора перед надстройкой.

Картина воздушных течений вблизи уступчатых зданий еще более сложная, чем у рассмотренных выше зданий с надстройками. На формирование циркуляционных зон каждого уступа влияет нижележащий уступ, вследствие чего все уступы являются взаимосвязанными в аэродинамическом смысле (при направлении ветра на уступы).

Разновидности циркуляционных течений, возникающих при воздействии ветра на уступчатые здания, те же, что и при обтекании зданий с надстройками. Но целесообразно разделить уступчатые здания на длинные и короткие, так как картина течений вблизи этих зданий различна. Если уступы находятся у подветренной стороны здания, то в расчетах размеров подветренной и единой зон необходимо учитывать влияние частей здания, погруженных в эти зоны.

• При направлении ветра на уступы возникают циркуляционные зоны неодинаковых размеров. Как правило, циркуляционные зоны больших и малых размеров чередуются от ступени к ступени, причем по мере увеличения высоты расположения ступени размеры зон увеличиваются. Это объясняется уменьшением толщины вытеснения пограничного слоя ветра в результате его оттеснения зданием кверху.
• Рассмотрим далее аэродинамику пристроек к основному зданию. Потоки ветра, отклоняемые зданием в стороны и движущиеся вдоль торцевых стен (вдоль стен, параллельных направлению ветра), набегают на выступающие конструктивные элементы (пристройки, тамбуры) и образуют циркуляционные зоны. Горизонтальный профиль скорости ветра, набегающего на здание, можно считать в первом приближении равномерным. Но после первой же торцевой зоны горизонтальные профили ветра резко деформируются и на последующие изломы фасада набегает ветер с неравномерным скоростным полем. Вследствие этого размеры циркуляционных зон, возникающих за пристройками, зависят от наличия и размеров циркуляционных зон, находящихся выше по потоку ветра.
• Таким образом, метод расчета размеров циркуляционных зон, возникающих за изломами фасадов, не отличается от такового для изломов профиля здания. Основными расчетными параметрами являются толщина вытеснения пограничного слоя ветра, определяемая по горизонтальным профилям скорости, и размеры пристроек, причем в качестве расчетной длины принимается геометрическая высота отрывной кромки, а расчетной высотой является геометрическая длина (размер выступающего элемента в поперечном ветру направлении). Наличие непроницаемой для воздуха поверхности земли не отражается на изменении размеров циркуляционных зон за изломами фасадов. Поэтому методика расчета действительна также для случаев расположения пристроек к высокой секции, когда основание пристройки находится на крыше низкой секции здания.
• За пристройками возникают не только торцевые, но и обычные циркуляционные зоны, образующиеся в результате отрыва потока от кромок крыши. При этом крыша пристройки может находиться либо в одной плоскости с крышей основного здания, либо в разных плоскостях (выше или ниже основного здания). В зависимости от этого меняется характер обтекания пристроек. Возвышающуюся над крышей основного здания часть пристройки допустимо рассматривать как самостоятельное здание и размеры зон рассчитывать по общей методике. Ниже уровня крыши основного здания за пристройкой будет существовать только торцевая зона.
• Если пристройка ниже основного здания, то наветренная, подветренная и единая зона (если они возникают) оказываются ограниченными со стороны основного здания, что может отразиться на их размерах. Когда пристройка расположена у наветренной или подветренной стены основного здания так, что одна ее стена является продолжением стены основного здания (Г _ образная форма здания), то в зависимости от размера пристройки вдоль потока ветра могут возникать комбинации циркуляционных зон. Например, над основным зданием будет возникать наветренная зона, над пристройкой _ единая, причем в пространстве над крышей эти зоны соприкасаются (сливаются). Еще более тесно могут взаимодействовать подветренная и единая зоны, возникающие над широкой и узкой частями здания с общей подветренной стеной. Эти зоны соприкасаются на всем протяжении, причем единая зона может быть длиннее подветренной.
• Рассмотренные несколько компоновок зданий с пристройками дают представление о многообразии вариантов объемно-планировочных решений зданий, отличающихся особенностями воздушных циркуляционных течений.
• В объеме циркуляционной зоны циркулируют огромные массы воздуха (миллионы кубических метров в час). Поэтому ощутимое влияние на характер течения циркуляционных зон может оказать соизмеримый расход воздуха, прорывающегося через проемы в зданиях. Транспортные проемы и проемы для проветривания дворов имеют размеры, как правило, 4?4,5 м. Количество воздуха, проходящего через эти проемы, зависит от разности давлений на наветренной и подветренном стороне здания и от аэродинамического сопротивления проема. Разность давлений в свою очередь зависит от относительной толщины пограничного слоя ветра, ветрозащищенности рассматриваемого здания и его относительных размеров,
• Качественные исследования позволили установить, что при самых благоприятных условиях обтекания здания, когда расход воздуха через проем максимальный, влияние прорывающегося воздушного потока на картину течении в циркуляционной зоне можно не учитывать, если площадь живого сечения проема указанных размеров не превышает 5% от площади наветренной стены здания.
• Влияние прорывающегося через проем воздушного потока заключается в уменьшении разрежения, создаваемого ветром у подветренной стены в окрестностях проема. Однако полного разрыва циркуляционной зоны не происходит, между обеими частями зоны существует обмен воздушными массами. Интенсивность циркуляции несколько снижается. Поскольку высота проема обычно не превышает половины высоты здания, над проемом у подветренной стены возникает циркуляционное течение, связывающее воедино обе половины циркуляционной зоны. Поэтому выбрасываемые в какую либо точку зоны загрязняющие вещества распространяются по всей зоне. Если высота зоны подпора не превышает высоту проема, происходит разрыв этой зоны. Эти соображения относятся лишь к отдельно стоящим зданиям. В случае смежных зданий, когда проём находится не в первом здании, картина течений существенно изменяется. Давление ветра на наветренную стену в окрестностях проема уменьшается и течение воздуха через проем может прекратиться, а в отдельных случаях направление движения монет быть обратным направлению ветра.
• Ширину разрывов между зданиями, расположенными в один ряд, предусматривают обычно более одной высоты здания. При направлении ветра в сторону разрыва в нем возникают торцевые циркуляционные зоны, стесненные соседними торцевыми стенами зданий. Стеснение потока сказывается на уменьшении расстояния от стены до границы торцевой зоны и на увеличении длины зоны, то есть способствует "уплощению" зоны. С уменьшением ширины разрыва "уплощение" усиливается и при некоторой предельной ширине разрыва начинается взаимодействие торцевых зон, проявляющееся в переносе загрязняющих веществ из одной зоны в другую. При этом происходит взаимодействие подветренных или единых зон, также проявляющееся в переносе примесей из одной зоны в другую.

3.2 Порядок расчёта границ сложных циркуляционных зон

Рассмотрим порядок расчета размеров циркуляционных зон у зданий усложненной формы. Если требуется рассчитать размеры циркуляционных зон за конструктивными элементами и сооружениями относительно небольшой высоты (до 0,3H), размещенными на плоской крыше широкого (в аэродинамическом смысле) здания, прежде всего следует определить длину и координаты границы наветренной циркуляционной зоны (с учетом влияния расположенных вверх по потоку ветра зданий). При наличии затопленных конструктивных элементов размеры наветренной зоны необходимо пересчитать с учетом поправки на расчетную высоту здания

,

где _ суммарный объем конструктивных элементов, находящие в объеме наветренной зоны, м³.

Размеры циркуляционных зон за препятствиями (конструктивными элементами), находящимися на крыше вне наветренной циркуляционной зоны, следует вычислять по вышеизложенной методике, рассматривая крышу здания как уменьшенную промышленную площадку, а расположенные на ней конструктивные элементы _ как здания. Значения параметра следует вычислять в зависимости от размеров циркуляционной зоны, находящейся перед рассматриваемым конструктивным элементом (впереди него по потоку ветра).

При построении границ сложных циркуляционных зон, возникающих при обтекании ветром зданий с надстройками (высота более 0,3H) необходимо различать следующие варианты:

• _ надстройка расположена у наветренной стены здания так, что плоскости их наветренных стен совпадают (надстройка может быть узкой и широкой);
• _ узкая или широкая надстройка размещена на некотором удалении от наветренной и подветренной стен здания;
• _ то же у подветренной стены здания так, что плоскости подветренных стен совпадают.
• а) Если узкая надстройка находится у наветренной стены здания, длину единой циркуляционной зоны следует рассчитывай по формуле (2.1), подставляя в нее суммарную высоту здания и надстройки. В зависимости от ширины здания могут возникнуть два случая: единая зона оканчивается на крыше здания; то же на поверхности земли.
• В первом случае координаты границы сложной циркуляционной зоны следует вычислять по формуле (2.19) при (здесь Н _ высота здания без надстройки). Во втором случае необходимо длину единой зоны пересчитать по формуле (2.1), подставив в нее эквивалентную ширину здания, вычисляемую по формуле;
• , (3.2)
• где _ площадь поверхности торцевой стены здания и надстройки, м²;
• _ высота надстройки, м.
• Координаты границы сложной зоны следует рассчитывать по формуле (2.14), подставляя в нее пересчитанную длину единой зоны и суммарную высоту здания и надстройки.
• б) При расположении надстройки на некотором удалении от наветренной стены здания следует различать ряд вариантов в зависимости от расстояния xн в плане между наветренными стенами здания и надстройки. Если это расстояние таково, что границы наветренной циркуляционной зоны и утроенной зоны подпора пересекаются, то координаты сложной циркуляционной зоны следует рассчитывать по изложенном выше методике. При этом длина наветренной циркуляционной зоны рассчитывается в зависимости от относительных значений высоты, длины здания и параметра в плоскости наветренной стены, а длина зоны подпора - от высоты надстройки и значения параметра , вычисляемого для плоскости наветренной стены надстройки в зависимости от длины наветренной зоны и расстояния xн между наветренными стенами здания и надстройки. Координаты границы зоны подпора следует вычислять по формуле (2.17), прибавив к правой её части высоту H здания.
• Если расстояние xн между наветренными стенами здания и надстройки не превышает половины наветренной циркуляционной зоны, то зона подпора перед надстройкой не возникает и граница сложной зоны совпадает с границей наветренной зоны.
• Если расстояние xн>lн/2, но границы указанных циркуляционных зон не пересекаются, то длину зоны подпора следует принимать равной расстоянию xн. Граница сложной зоны совпадает с огибающей границ взаимодействующих зон.
• При hп<zн расчётная высота надстройки равна Hн-zн (здесь zн _ вертикальная координата точки пересечения границы наветренной зоны с плоскостью наветренной стены надстройки). По этой высоте следует рассчитывать размеры зоны подпора и зон, возникающих за надстройкой. Координаты границы сложной зоны следует определять как сумму координат границы наветренной зоны и зоны подпора, располагающейся выше уровня zн.
• в) Если расстояние xн > lн +3lп, то взаимодействия циркуляционных зон не происходит. Координаты границ наветренной зоны и зоны подпора следует вычислять по формулам (2.2) и (2.17), причем к правой части формулы (2.17) необходимо прибавить высоту H здания.
• г) Если надстройка является широкой, то в случае широкого участка здания за надстройкой подветренная циркуляционная зона оканчивается на крыше и ее размеры следует вычислять в зависимости от размеров надстройки. Координаты границы этой зоны следует вычислять по формуле (2.16), прибавив к правой ее части высоту H здания. В случае узкого участка здания за надстройкой подветренная зона оканчивается на поверхности земли и ее длину необходимо пересчитать с учетом поправки на общую высоту здания и надстройки, вычисляемую по формуле:
• м, (3.3)
• где V _ объем части здания, находящейся в пределах подветренной циркуляционной зоны, м³.
• д) За узкой надстройкой в случае широкого участка части здания (за надстройкой) возникает единая циркуляционная зона, размеры которой следует рассчитывать по формуле (2.1), подставляя в нее размеры надстройки и значение параметра , вычисляемое в зависимости от размеров наветренной циркуляционной зоны. Координаты границы единой зоны следует вычислять по формуле (2.14), прибавив к ее правой части высоту здания Н.
• Если часть здания за надстройкой является узкой, то возникает циркуляционная зона, являющаяся комбинацией единой и подветренной зон. Для определения размеров этой зоны необходимо вычислить длину единой циркуляционной зоны по формуле (2.1), подставляя в нее размеры надстройки и значение параметра , рассчитанное в зависимости от размеров наветренной зоны здания. Затем следует вычислить наибольшее возвышение границы единой зоны над уровнем крыши надстройки по формуле:
• м. (3.4)
• Размеры сложной зоны следует вычислять по формуле (3.4) как подветренной зоны, подставляя в нее суммарную высоту здания, надстройки и возвышения . Длина надстройки должна быть отнесена к суммарной высоте .
• Рис. 3.3. Построение границ сложных циркуляционных зон у уступчатых зданий (уступы с наветренной стороны)
• а _ уступы шириной h; б _ уступы шириной 2h; в _ уступы шириной 5h
• Если в объеме циркуляционной зоны находится некоторая часть здания, размеры этой зоны необходимо пересчитать с учетом поправки на суммарную высоту здания по формуле (3.3).
• е) При расположении надстройки у подветренной стены здания расчет размеров циркуляционных зон следует выполнять без учета формул (3.3) и (3.4).
• Построение границ циркуляционных зон у зданий переменной этажности (зданий, имеющих разную последовательно возрастающую высоту пролетов или секций) следует выполнять в соответствии с изложенной методикой. На наветренной стороне таких зданий возникают циркуляционные зоны подпора и сложные циркуляционные зоны, образованные в результате взаимодействия зон подпора и наветренных зон над крышей каждой секции. Циркуляционные зоны, возникающие над низкой секцией, оказывают влияние на размеры циркуляционных зон соседней высокой секции, те в свою очередь оказывают влияние на размеры зон следующей более высокой секции и т.д. Поэтому расчет размеров циркуляционных зон следует выполнять последовательно, начиная с самой низкой секции.
• Если ширина какой либо секции окажется меньше длины зоны подпора, возникающей перед наветренной стеной соседней более высокой секции, то необходимо размеры зоны подпора пересчитать по суммарной высоте этих двух секций.
• Расчеты размеров границ циркуляционных зон зданий переменной этажности следует выполнять в следующем порядке (при направлении ветра на уступы):
• _ вычислить значение параметра у наветренной стены первого (низкого) уступа;
• _ вычислить длину наветренной циркуляционной зоны над крышей первого уступа и координаты ее границы;
• _ вычислить значение параметра у наветренной стены второго уступа (в зависимости от размеров наветренной зоны над крышей первого уступа);
• _ определить расчетную высоту наветренной стены второго уступа;
• _ вычислить длину наветренной циркуляционной зоны над крышей второго уступа и рассчитать координаты ее границы. Дальнейшие расчеты следует выполнять в том же порядке, что и для первых двух уступов.
• Расчет размеров циркуляционных зон, возникающих при обтекании пристроек, тамбуров, изломов фасадов, следует выполнять в том же порядке, что и надстроек. Основными исходными данными являются параметр , рассчитываемый в зависимости от размеров предыдущей торцевой циркуляционной зоны, и размеры пристроек. В качестве расчетной длины принимается геометрическая высота пристройки, а расчетной высотой является ее геометрическая длина (размер основания пристройки в перпендикулярном ветру направлении).
• Если пристройка возвышается над крышей здания, расчеты размеров циркуляционных зон следует выполнять отдельно для каждой части пристройки ниже уровня крыши и выше него.
• При обтекании ветром зданий с пристройками, расположенными у подветренной стены здания так, что образуются Т _ образные или Г _ образные (в плане) сочетания, над разными участками крыши возникают разные циркуляционные зоны. Например, если здание узкое, то над и за частью здания, к которой примыкает пристройка, могут возникать наветренная и подветренная зоны, а над остальной частью _ единая. Рассчитывать размеры этих зон необходимо по отдельности для каждого участка здания, подставляя в расчетные формулы размеры соответствующих участков здания. Аналогичным образом следует рассчитывать циркуляционные зоны за П _ образными зданиями.
• Здания, представляющие собой комбинацию рассмотренных выше элементов, следует условно разделять на отдельные характерные участки в соответствии с рассмотренными признаками таким образом, чтобы циркуляционные зоны не разрывались. Размеры циркуляционных зон необходимо рассчитывать для каждого из выделенных участков в отдельности.
• К плохо проветриваемым и непроветриваемым пространствам относятся области обратных потоков циркуляционных зон и ветрозащищенные области, границы которых следует рассчитывать и строить по формулам и рекомендациям настоящего раздела.
• На основании изложенного можно предложить несколько практических рекомендаций. Источники выбросов и воздухоприемные сооружения приточной вентиляции следует располагать, как правило, на хорошо проветриваемых участках крыш и территорий между зданиями. Там же следует размещать дефлекторы.
• Во избежание проникновения загрязняющих веществ в производственные и другие помещения с нормируемым составом воздуха через неплотности оконных и дверных проемов не следует размещать источники выбросов в зонах повышенного давления, создаваемого ветром при обтекании зданий и их конструктивных элементов (зона повышенного давления возникает у наветренной стены, охватывает циркуляционную зону подпора и простирается вверх по потоку ветра на расстояние, равное утроенной длине зоны подпора).

3.3 Примеры расчёта

Проиллюстрируем изложенную методику расчета характеристик циркуляционных зон у зданий усложненной архитектурной формы рядом примеров.

Пример 1.

Отдельно стоящее здание со стороны, обращенной к ветру, имеет три уступа (рис. 3.3,а). Высота каждого уступа h=H/3. Ширина уступа равна его высоте. Длина уступов равна длине здания и составляет 10H. Ширина здания в верхней части больше 5h. Перед рассматриваемым зданием вверх по потоку ветра на расстоянии 15H расположено здание той же высоты и длины шириной 10H.

Решение.

Поскольку ширина первого по потоку ветра здания превышает максимально возможную длину наветренной зоны (lн.max= 7,8H), оно является широким и за ним возникает подветренная циркуляционная зона. В соответствии с формулой (2.1) ее длина равна

.

Параметр у наветренной стены второго здания в соответствии с формулой (2,7) равен

; =0,51H.

Зону подпора перед вторым зданием следует рассчитывать по формуле (2,4):

;

.

Путем построения границы этой зоны устанавливаем, что она пересекается с плоскостями крыш уступов, поэтому зоны подпора необходимо рассчитывать для каждого уступа отдельно.

Длину зоны подпора у наветренной стены первого (нижнего) уступа рассчитываем по значениям параметров:

; ;

.

Высота зоны подпора равна .

На основании формулы (2.42) заключаем, что второе здание является отдельно стоящим.

Длина наветренной зоны на крыше первого уступа в соответствии с формулой (2,3) равна

.

Высота этой зоны равна hн=0,175?1,48h=0,26h.

Дальнейшие вычисления следует выполнять на основе расчетной высоты наветренной стены. По чертежу определяем hр=0,8h.Относительная длина здания равна l/ hр =30h/(0,8h)=37,5. Параметр у наветренной стены второго уступа в соответствии с формулой (2.7) равен

: .

Длина зоны подпора перед вторым уступом равна

;

; .

Границу зоны подпора следует строить над наветренной зоной (выше уровня пересечения границы наветренной зоны с плоскостью стены). Поскольку длина зоны подпора превышает ширину первого уступа, эта зона взаимодействует с зоной подпора у первого уступа, вследствие чего возникает объединенная зона подпора с общем циркуляцией воздушных масс.

Длина наветренной зоны на крыше второго уступа равна

;

; .

В тех случаях, когда граница наветренной зоны пересекает плоскость стены своей восходящей ветвью, зона подпора над ней не возникает.

; .

Расчетная высота уступа (по чертежу) равна 0,5h.

; .

Длина наветренной зоны над крышей третьего уступа равна

;

.

Пример 2.

При сохранении условий примера 1 увеличена ширина уступов до 2h. Построить границы циркуляционных зон (рис.3.3,б).

Решение.

Результаты решения примера 1 сохраняются до расчета длины зоны подпора у второго уступа. Параметр у наветренной стены в соответствии с формулой (2.7) равен

; =0,165h.

Длина зоны подпора перед наветренной стеной второго уступа равна

.

Высота зоны подпора равна .

Если утроенная длина зоны подпора превышает ширину уступа, то эта зона начинается у отрывной кромки крыши. Поэтому граница зоны подпора будет проходить от отрывной кромки до высоты hп на наветренной стене второго уступа.

Проведя горизонталь от точки пересечения границ, найдем расчетную высоту наветренном стены hp. Она равна 0,7h. Относительные размеры второго уступа равны

; ;

.

Длина наветренной зоны составляет

; lн=2,94hp.

Высота наветренной зоны равна hн=0,175?2,94h=0,52h.

Параметр у наветренной стены третьего уступа равен

; =0,282h.

Расчетная высота стены по рисунку равна 0,6h. Относительная высота третьего уступа равна:

l/h=30h/(0,6h)=50; /h=0,282h/(0,6h)=0,47.

Длина зоны подпора равна

;

lп=0,75h; hп=0,45h.

Расчетная высота наветренной стены третьего уступа (для вычисления длины наветренной зоны) находится выше уровня точки пересечения зон. Она равна 0,48h. Относительная длина здания равна: l/h=30h/(0,48h)=62,5. Параметр равен

/h=0,282h/(0,48h)=0,59.

Длина наветренной зоны на крыше третьего уступа равна

;

lн =2,93?0,48 hp; hн=0,175?1,4h=0,245h.

При наличии четвертого уступа расчеты следует выполнять аналогично рассматриваемым случаям:

; =0,15h; hp=0,76h;

/hp=0,15h/(0,75h)=0,197; l/hp=30h/(0,76h)=39,5;

l ;

lн=4,44?0,76h=3,37h; hн=0,175?3,37h=0,59h.

Пример 3.

Условия примера 1 изменены в части ширины уступов: b=5h. Построить границы циркуляционных зон (рис.3.3,в).

Решение.

Зона подпора и наветренная зона на крыше первого уступа те же, что ж в примере 1, Параметр перед стеной второго уступа равен

/(1,48h)=0,13?[1,48h/(5h)]0,5=0,071; =0,1h.

Длина зоны подпора равна

;

hп=0,6?1,49h=0,9h; 3lп=4,47h.

Построив границу циркуляционной зоны подпора утроенной длины, находим расчетную высоту наветренной стены второго уступа. Она равна 0,85h. Относительная длина здания равна

l/hp=30h/(0,85h)=35,3; /h=0,1h/(0,85h)=0,12h.

Длина наветренной зоны равна

;

lн=4,25h; hн=0,175?5h=0,854hp=0,74h.

Параметр у третьего уступа равен

; =0,51h.

Длина зоны подпора у третьего уступа равна

;

hп=0,6?1,24h=0,74h; 3lп=3,72h.

Расчетная высота второго уступа по чертежу равна 0,6h.

l/hp=30h/(0,6h)=50; /hp=0,51h/(0,6h)=0,85.

Длина наветренной зоны на третьем уступе равна

;

lн=2,34?0,6h=1,4h; hн=0,175?1,4h=0,25h.

На рис. 3.3, в показаны границы всех циркуляционных зон.

Пример 4.

Построить границы циркуляционных зон, возникающих при обратном по сравнению с примером 1 направлении ветра. Прочие условия остаются без изменения (рис. 3.4).

Решение.

Относительный параметр /H равен 0,51, Длина здания l/H=10.

Длина наветренной зоны равна (рис. 3.4,а)

;

hн=0,175?2,74H=0,43H.

Длина подветренной циркуляционной зоны за верхним уступом равна

Рис. 3.4. Построение границ сложных циркуляционных зон у уступчатых зданий (уступы с подветренной стороны)

а _ уступы шириной h; б _ то же 2h; в _ то же, 5h.

Длина подветренной зоны превышает ширину уступа, поэтому расчет следует выполнять по высоте здания H

.

Размеры подветренной зоны необходимо пересчитать в соответствии с формулой (3,5), подставляя в нее ширину нижнего уступа, измеряемую от подветренной стены верхнего уступа до подветренной стены нижнего уступа, и среднюю по площади F сечения всех уступов высоту.

Ширина уступа равна 2/3H. Средняя по площади сечения высота равна F/b=(h?h+2h?h)/(2h)=1,5h. Условная высота равна

Hy=H_3H/(3?2)?2H/(3?4,1H)=0,92H.

Относительная длина здания l/Hy равна 10,9Н.

; =3,84Hy.

Во втором случае картина течения аналогичная (рис.3.4,б) Ширина уступа равна 4/3H; высота уступа равна

2h?h+4h?h/(4h)=1,5h=0,5H;

Hу =H-0,5H?4H/(3?4,1H)=0,84H;

l/Hy=10H/(0,84H)=11,9;

, lпв=3,56H.

В третьем случае за каждым уступом возникает подветренная зона длиной 4,72h (рис. 3.4,в).

Пример 5.

На площадке размещены два здания простом формы одно за другим. Первое здание имеет размеры: высота h, b=8H, l=20H. Второе здание: H=2h, b=5,5H, l=10Н. Параметр перед наветренной стеной первого здания равен 0,51h. Построить межкорпусные (сложные) циркуляционные зоны (рис.3.5,а).

Решение.

Длина наветренной зоны на первом здании равна

; hн=0,5h.

Длина подветренной зоны за первым зданием равна

.

Параметр у наветренной стены второго здания равен

a=3exp[-12?0,223h/(4,6h)]=1,68;

;

=0,67h; ; =0,223h.

Расчетная высота второго здания равна (по чертежу) 0,7Н. Относительные параметры:

/Hp=0,667h/(0,7?2h)=0,476; l/Hp=10H/(0,7H)=14,3.

Рис. 3.5. Примеры построения границ циркуляционных зон у зданий, первое из которых ниже второго

а, б _ расстояние между зданиями x1=3h; в, г - то же, 6h; д, е - 10h.

Длина зоны подпора перед вторым зданием равна

;

lп=0,84H; 3lп=2,52H; hp=0,5H.

Координаты точки М пересечения границ (по чертежу): zм =h, xм=0.

Ордината точки присоединения сложной зоны на наветренной стене второго здания равна . Длину наветренной зоны следует вычислять по расчетной высоте второго здания, определяемой как высота участка стены, возвышающейся над уровнем точки пересечения границ зон. Расчетная высота равна (по чертежу ) Нp = 0,5Н. Расчетные параметры: /Hp=0,667; l/ Hp=20.

;

lн=1,24H; hн=0,22H.

Пример 6.

Для условий предыдущего примера рассчитать и построить границы циркуляционных зон, учитывая, что первое здание имеет ширину 2H (рис.3,5,б).

Решение.

Длина единой зоны первого здания равна

;

.

Из построения границы единой зоны следует, что вся наветренная стена второго здания находится внутри этой зоны и наветренная зона над крышей второго здания не возникает.

Пример 7.

Для условий примера 5 при x1=6h рассчитать и построить границы циркуляционных зон (рис.3.5,в).

Решение.

Наветренная и подветренная зоны здания те же, что в примере 5.

Параметр у наветренной стены второго здания равен

/(4,6h)=0,24 =0,21; =0,97h=0,485H.

Длина зоны подпора равна

;

hп=0,6?1,14H=0,68H; 3lп=3,42H.

Точка присоединения сложной зоны лежит на высоте

Наветренную зону второго здания следует рассчитывать по расчетной высоте здания, равной 0,6Н (по чертежу). Расчетные параметры равны

/Hp=0,485H/(0,6H)=0,808; l/ Hp=10H/(0,6H)=16,7.

Длина наветренной зоны равна

;

lн=2,81?0,6H=1,68H; hн=0,29H.

Пример 8.

Для условий примера 6 при x1 =6h рассчитать и построить границы циркуляционных зон (рис.3.5,г).

Решение.

Единая зона остается той же. Расчетная высота второго здания для вычисления длины зоны подпора равна (по чертежу) 0,5H.

Параметр равен

/(8,3h)=0,015exp[2,54?6h/(8,3h)]=0,094;

=0,78h=0,78Hp; l/Hp=20.

Длина зоны подпора равна

;

lп=1,17?0,5H=0,58H; 3lп=1,75H; hп=0,35H.

Расчетная высота здания, необходимая для вычисления длины наветренной зоны, равна (по чертежу) 0,3H. Расчетные параметры

/Hp=0,78h/(0,3?2h)=1,18; l/ Hp=10H/(0,3H)=33,3;

;

lн=1,81?0,3H=0,54H; hн=0,175?0,54H=0,095H.

Пример 9.

Для условий примера 5 при x1=10h построить границы циркуляционных зон (рис.3.5,д).

Решение.

Наветренная и подветренная зоны те же. Параметр равен:

/(4,6h)=0,24[4,6h/(10h)]0,5=0,163; =0,75?0,5H=0,374H.

Длина зоны подпора равна

;

hп=0,7H; 3lп=3,52H.

Расчетная высота здания равна (по чертежу ) 0,85Н. Расчетные параметры: /Hp=0,374H/(0,85H)=0,44; l/Hp=10H/(0,85H)=11,76.

Длина наветренной зоны равна

м;

lн=2,33H; hн=0,41H.

Пример 10.

Для условий примера 6 при x1 =10h построить границы циркуляционных зон (рис. 3,5,е).

Решение.

Параметр у наветренной стены второго здания равен

; =1,73h=1,73?0,5H=0,866H.

Длина зоны подпора равна

;

hп=0,63H; 3lп=3,15H.

Рис. 3.6. Примеры построения границ циркуляционных зон между зданиями, первое из которых выше второго

а, б _ расстояние между зданиями x1=ЗН, в, г _ то же, x1 = 6Н.

Расчетная высота здания равна 0,7Н. /H=0,866H/(0,7H)=1,24; l/Hp=14,3.

Длина наветренной зоны равна

; lн=1,07H; hн=0,19H.

Пример 11.

Для условий примера 5 и обратном направлении ветра рассчитать и построить границы циркуляционных зон (рис.3.6,а).

Решение.

Наветренная зона на первом здании равна (рис.3.6,а)

; hн=0,43H.

Длина подветренной зоны равна

Поскольку подветренная зона ложится на крышу второго здания, ее следует пересчитать на основании расчетной высоты здания, вычисляемой по формуле (3.5):

.

Расчетная длина здания равна

.

; lпв=4,22?0,866H=3,65H.

Пример 12.

Для условий примера 10, но при первом узком здании построить границы циркуляционных зон (рис.3.6,б).

Решение.

Длина единой зоны равна

;

.

Поскольку граница зоны пересекает плоскость крыши второго здания, зона подпора не возникает.

Пример 13.

Для условий примера 11 и x1=6H построить границы циркуляционных зон (рис.3.6,в).

Решение.

Подветренная зона остается той же, что в принтере 11. Параметр у наветренной стены второго здания равен

; =0,81H=1,63h; l/H=20.

Длина зоны подпора равна

м;

hп=0,6h; 3lп=3h.

Критическое расстояние между зданиями равно (3.8):

x1kp=4,1H+3?0,5H=5,6H; x1kp<6H.

Межкорпусная зона не возникает.

Наветренная зона на втором здании имеет длину:

; hн =0,23h.

Пример 14.

Для условий примера 12 и x1=6H построить границы циркуляционных зон (рис,3.6,г).

Решение.

Граница единой зоны та же, что в примере 11. Параметр у наветренной стены второго здания равен:

; =1,28H=2,56h.

Длина зоны подпора равна

; hп=0,54h; 3lп=2,7h.

Критическое расстояние x1kp равно

x1kp=6,5H+2,7?0,5H-2H=5,85H; x1kp<6H.

Циркуляционная зона между зданиями не возникает. Длина наветренной зоны на втором здании равна

; hн=0,143h.

Если x1?10H, циркуляционные зоны между зданиями не возникают.

4. Характеристики ветра и поведение факелов выбросов на промплощадках