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 1₂ этажа, _ = 15 м. Если перед рассматриваемым зданием находится сплошной забор, следует рассчитать длину единой зоны и на её основе вычислить .