Особенности течений, возникающих при воздействии ветра на здания

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.