Аэродинамика здания

В последние годы в связи со значительными масштабами проектирования высотных зданий, поисками возможностей использования в них естественного проветривания, оптимизации воздушных потоков внутри здания, а также использованием для энергоснабжения ветроэнергетических установок, встроенных в ограждающие конструкции здания, роль аэродинамики здания значительно возросла.

Теоретические основы аэродинамики зданий и практическое их использование в нашей стране основывались на работах академика Н. М. Томсона, проф. Ф. Л. Серебровского, проф. Э. И. Реттера, проф. С. И. Стриженова. Опубликованные ими книги сочетают в себе великолепное знание предмета, талант исследователя, превосходное методическое изложение материала, глубокое понимание инженерных проблем. Это книги «Аэрация городской застройки» Н. М. Томсона, изд. АМН СССР, 1947; «Аэродинамика зданий» Э. И. Реттера и С. И. Стриженова, М., Стройиздат, 1968; «Аэрация жилой застройки» Ф. Л. Серебровского, М., Стройиздат, 1971; «Архитектурно-строительная аэродинамика» Э. И. Реттера, М., Стройиздат, 1984.

В настоящее время аэродинамике зданий не уделяется должного внимания в научных разработках и практическом использовании результатов этих разработок. В то же время по сравнению с 1970-ми годами, когда были написаны последние основополагающие работы упомянутых выше ученых, ситуация в строительном комплексе существенно изменилась: значительно выросла этажность зданий, застройка городских кварталов стала более плотной, комплексной, появились высотные здания. Аэродинамика высотных зданий имеет свою специфику, так как для них влияние наружных климатических воздействий и величины градиентов перемещения потоков массы и энергии внутри здания являются по своей значимости экстремальными.

Предлагаемая читателю статья проф. Э. И. Реттера и Ф. Л. Серебровского «Аэродинамическая характеристика жилых зданий» содержит первоначальные, основополагающие экспериментальные исследования аэродинамических коэффициентов жилых зданий в различных градостроительных условиях.

Редакция надеется, что эта статья будет прочитана с интересом широким кругом специалистов и явится скромной данью признательности и уважения, которую заслуживают замечательные отечественные специалисты, создавшие аэродинамику зданий как важнейший раздел архитектурного и инженерного проектирования.

---

Аэродинамическая характеристика жилых зданий

Э. И. Реттер, профессор

Ф. Л. Серебровский, профессор

Природно-климатические условия оказывают существенное влияние на микроклимат жилых зданий, определяют экономическую целесообразность тех или иных способов его регулирования. Выбор и расчет ограждающих конструкций зависит от внешних климатических воздействий. Одним из внешних факторов является ветер, который способствует проветриванию помещений, увеличивает теплопотери зданий, изменяет тепловой режим ограждений.

Отсюда вытекает задача исследования влияния ветра на постройки. Актуальность проблемы связана с развитием жилищного строительства в районах, характеризуемых сильными ветрами (Крайний Север, Дальний Восток, Казахстан), внедрением в практику градостроительства новых прогрессивных приемов свободной планировки и развитием полносборного домостроения.

Методы теоретического решения задачи обтекания прямоугольного профиля зданий известны [1, 2, 3].

Экспериментальные методы изучения аэродинамики зданий, заключающиеся в испытании моделей в аэродинамической трубе, использовались неоднократно [4, 5, 6, 7].

В данной работе излагаются результаты экспериментов по определению аэродинамических коэффициентов жилых зданий, расположенных в различных градостроительных условиях.

Эксперименты проводились на моделях зданий, изготовленных в масштабе 1:200. Модели устанавливались в рабочей части аэродинамической трубы открытого типа. Скорость потока составляла 15 м/с.

Испытывались модели отдельно стоящих и групп параллельно расположенных жилых зданий.

Рассмотрим сначала аэродинамическую характеристику незащищенного здания. Как обычно, действие ветра будем определять в долях скоростного напора ветрового потока:

p = k(rv²)/2 (1)

где k – аэродинамический коэффициент;

v – расчетная скорость ветра;

r – плотность воздуха.

При направлении воздушного потока перпендикулярно длинной стороне здания (a = 90°) на наветренной стороне аэродинамические коэффициенты имеют положительное значение (от +0,6 до +0,8 в зависимости от степени шероховатости поверхности земли перед зданием). Верхняя горизонтальная поверхность (или плоская кровля с небольшим уклоном) находится под разрежением; величина аэродинамических коэффициентов в этом случае может быть вычислена по формуле:

(2)

где X – безразмерный геометрический критерий:

(3)

l – расстояние от переднего ребра АА₁ до рассматриваемого сечения MN (рис. 1);

H и S – высота и длина здания.

Наибольшее подсасывающее действие ветра наблюдается вблизи ребра АА₁. Для заветренной стены аэродинамические коэффициенты определяются по формуле (2) при l = L.

При направлении воздушного потока вдоль продольной оси здания (a = 0°) аэродинамические коэффициенты зависят в основном от относительного расстояния между данным сечением, перпендикулярным скорости ветра, и передней торцевой стеной здания. Для сечений, лежащих в области 0,5 ≤ y/H ≤ 2,75, применима формула

(4)

где y – расстояние данного сечения от передней торцевой стены здания (рис. 1).

За счет торможения воздушного потока вблизи поверхности земли аэродинамические коэффициенты для вертикальных поверхностей несколько ниже и составляют в среднем 0,8 k₀. Для наветренной торцевой стены k₀ = +0,7–0,8 и для заветренной торцевой поверхности k₀ = –0,2–0,3.

При других направлениях ветра может быть применена формула Э. И. Реттера [1]

k_a = k₀cos²a + k₉₀sin²a, (5)

где k₀ и k₉₀ – аэродинамические коэффициенты для рассматриваемой поверхности при направлении воздушного потока a = 0° и a = 90°.

Формула применима в пределах 0° ≤ a ≤ 90° для наветренных поверхностей здания.

В частном случае, когда ширина здания L = 0,8Н, длина S = 4Н, аэродинамические коэффициенты для средних сечений y = S/2 и l = L/2  принимают значения, указанные в табл. 1.

Таблица 1 Аэродинамические коэффициенты

Направление ветра a в градусах Аэродинамические коэффициенты k для торцевой стены ABCD для cтены AA1D1D для крыши AA1B1B для стены BB1C1C для торцевой стены A1B1C1D1 0 +0,8 -0,22 -0,28 -0,22 -0,28 45 +0,1 +0,24 -0,8 -0,7 -0,45 90 -0,6 +0,7 -0,42 -0,42 -0,6

Приведенные формулы и значения аэродинамических коэффициентов справедливы для незащищенных зданий. Влияние соседних зданий и сооружений на аэродинамическую характеристику обнаруживается на расстоянии, меньшем 20Н₀ (где Н₀ – высота здания, расположенного с наветренной стороны).

Так как при обычной застройке расстояние между жилыми зданиями меньше указанной величины, то компоновки жилых зданий представляют значительный интерес.

Для изучения аэродинамических свойств группы, образованной шестью жилыми зданиями, расположенными параллельно, была проведена серия испытаний в аэродинамической трубе (рис. 1). Варьировались высота и расстояние между моделями. На рис. 1 промежутки между зданиями обозначены через I, II, III,….

Рисунок 1. Схема расположения зданий

Результаты испытаний показали, что при направлении воздушного потока вдоль зданий (a = 0°) аэродинамические коэффициенты для поверхностей этих зданий мало отличаются от коэффициентов, полученных для отдельных зданий. При направлении воздушного потока перпендикулярно продольной оси зданий (a = 90°) картина резко меняется.

Наветренная сторона первого здания испытывает давление, близкое давлению на стену отдельно стоящего здания. Пространство между первым и вторым зданием испытывает сильное подсасывающее действие ветра за счет первичного возмущения, возникающего при обтекании зданий воздушным потоком. Для остальных зданий влияние этого возмущения постепенно ослабевает.

В результате многочисленных испытаний периодических профилей промышленных зданий [1] и параллельно расположенных зданий удалось установить характерный геометрический критерий вида

(6)

где j принимает значения I, II, III, …

Этот критерий совпадает по написанию с безразмерным параметром X, приведенном ранее. В данном случае под l_j следует понимать расстояние от наветренной стены первого здания до средней осевой линии между домами.

В функции этого критерия на рис. 2 нанесены экспериментальные значения аэродинамических коэффициентов; там же построена интерполяционная кривая по формуле

k_j = –0,6exp(–0,5Z²) + 0,06. (7)

Эта формула дает средние значения аэродинамических коэффициентов в области между первым и вторым зданиями, между вторым и третьим зданиями и т. д. (рис. 1). В соответствии с этим геометрический критерий вычисляется следующим образом:

(8)

Как видно из формул (7) и (8), влияние первичного возмущения падает при увеличении расстояния l_j. Вместо этого начинают сказываться вторичные возмущения между зданиями, интенсивность которых зависит в основном от относительного расстояния между зданиями. Наличие этих вторичных возмущений приводит обычно к увеличению давления с наветренных сторон и к его уменьшению с заветренных сторон каждого здания.

Рисунок 2. Закономерность изменения средних аэродинамических коэффициентов в зависимости от геометрического параметра Z

Обозначим через k_i+1 аэродинамические коэффициенты для наветренных сторон зданий и через k_i для заветренных сторон зданий. Приращения аэродинамических коэффициентов по сравнению со средними значениями в рассматриваемом пространстве между зданиями обозначим через Dk_н и Dk_з.

Для наветренных сторон

и для заветренных сторон зданий

 .

Отсюда видно, что приращения аэродинамических коэффициентов имеют одинаковые абсолютные значения, но различны по знаку. В дальнейшем будем обозначать приращения Dk_н через Dk без индекса.

Анализ полученных результатов исследований дает возможность отметить следующие закономерности:

1) в промежутке между зданиями, начиная со второго, Dk имеет положительные значения для наветренных сторон зданий и отрицательные для заветренных поверхностей;

2) приращения аэродинамических коэффициентов для указанных промежутков тем более, чем больше относительное расстояние между зданиями;

3) в промежутке между первым и вторым зданием Dk   имеет отрицательное значение для наветренной стороны второго здания и положительное значение для заветренной поверхности первого здания.

Мы видим, что закономерность п. 3 для промежутка между двумя первыми зданиями отличается от всех остальных. Объясняется это тем, что в промежутке I господствует влияние первичного возмущения, центр которого находится близко от наветренной поверхности второго здания; в области первичного возмущения наблюдается значительное подсасывающее действие воздушного потока, за счет которого абсолютная величина аэродинамических коэффициентов этой поверхности увеличивается. В промежутках между всеми остальными зданиями первичное возмущение имеет меньшее значение, и режим между зданиями определяется в основном вторичными возмущениями.

На основании результатов проведенных испытаний составлена табл. 2 значений Dk для наветренных поверхностей в функции от относительного расстояния между зданиями. Для заветренных сторон зданий приведенные в таблице значения Dk имеют отрицательный знак. Указанные значения Dk получены при изменении относительной длины здания в пределах 4,5 < S/H < 7.

Таблица 2 Значения Dk для наветренных поверхностей в функции от относительного расстояния между зданиями

d/H DkI DkII DkIII; IV... 1 -0,05 +0,01 +0,01 2 -0,10 +0,03 +0,03 3 -0,07 +0,08 +0,11 4 -0,05 +0,10 +0,16

На основании приведенных результатов аэродинамические коэффициенты для каждой вертикальной поверхности здания вычисляются по формуле

(9)

Знак плюс берется для наветренных поверхностей, знак минус для заветренных сторон здания; k_j вычисляется по формуле (7).

На аэродинамическую характеристику жилых зданий оказывают влияние также зеленые насаждения: газоны, деревья. Увеличивая шероховатость земной поверхности они снижают скорость ветра около земли.

Для изучения закономерностей, связанных с влиянием шероховатости земной поверхности на аэродинамическую характеристику жилых зданий, была проведена серия испытаний в аэродинамической трубе.

Прежде всего было выявлено распределение скоростей по высоте в зависимости от шероховатости. Рабочий стол аэродинамической трубы покрывали последовательно гладким картоном, картоном с наклеенными древесными опилками, и, наконец, на него устанавливали модели зеленых насаждений, выполненные из тонкой проволоки.

Измеряли скорости воздушного потока на различной высоте. Графики скоростей изображены на рис. 3.

Рисунок 3. Распределение скорости воздушного потока по высоте в зависимости от типа шероховатости подстилающей поверхности: 1 – распределение относительных скоростей воздушного потока при устройстве гладкого пола (картон); 2 – пол изготовлен с помощью картона, на который были наклеены древесные опилки; 3 – перед моделью здания были установлены модели зеленых насаждений, выполненных из тонкой проволоки; d1, d2, d3 – толщины пограничного слоя для указанных трех случаев

Недостаток скоростей воздушного потока в приземной области характеризует толщина пограничного слоя:

(10)

где v₀  – скорость незаторможенного воздушного потока;

v – скорость воздуха на расстоянии y от поверхности земли.

На рис. 4 дана кривая изменения аэродинамических коэффициентов наветренной стороны здания в зависимости от d/H.

Если перед зданием имеются зеленые насаждения, то аэродинамические коэффициенты наветренной стороны здания зависят от расстояния между зелеными насаждениями и зданием. На рис. 5 показаны эти зависимости. Интересно отметить, что наибольший ветрозащитный эффект зеленых насаждений высотой 0,3Н наблюдался при размещении их на расстоянии равном четырем высотам зданий.

Рисунок 4. Распределение аэродинамических коэффициентов на наветренной стороне здания в зависимости от относительной толщины вытеснения

Рисунок 5. Влияние зеленых насаждений на распределение аэродинамических коэффициентов на наветренной стороне здания: k – аэродинамические коэффициенты для точек 1–5 наветренной стены здания при испытании с моделью дерева; kсв – аэродинамические коэффициенты для тех же точек при отсутствии модели дерева

Проведенные исследования позволяют сделать следующие выводы.

1. Аэродинамические коэффициенты могут быть рассчитаны по предлагаемым формулам для жилых зданий в зависимости от их геометрических размеров и направления ветра.

2. Для зданий, расположенных в системе застройки, необходимо учитывать влияние соседних зданий и их расположение.

3. На аэродинамическую характеристику зданий оказывают существенное влияние элементы благоустройства, особенно зеленые насаждения, которые также необходимо учитывать при определении расчетных значений аэродинамических коэффициентов.

4. Пользуясь расчетными скоростями ветра в данной местности и полученными значениями аэродинамических коэффициентов необходимо учитывать влияние ветра при оценке теплопотерь фильтрации воздуха через ограждающие конструкции, аэрации и т. п.

5. Варьируя размещение зданий, а также располагая соответствующим образом элементы благоустройства, можно добиться наиболее выгодных с точки зрения строительной аэродинамики решений в конкретных природно-климатических условиях.

Литература

1. Реттер Э. И. Аэродинамическая характеристика промышленных зданий // УФАСиА СССР. – Челябинск, 1959.

2. Реттер Э. И. Аэродинамика бесфонарных промышленных зданий // Сб. Микроклимат зданий. – М. : Госстройиздат, 1963.

3. Серебровский Ф. Л. Аэродинамика жилых зданий // Известия высших учебных заведений.  Строительство и архитектура.  – 1964. – № 3.

4. Батурин В. В., Эльтерман В. М. Аэрация промышленных зданий. – М. : Госстройиздат, 1964.

5. Томсон Н. М. Аэрация городской застройки. – Изд. АМН СССР, 1947.

6. Реттер Э. И. Ветровая нагрузка на сооружения. – ОНТИ, 1936.

7. Батурин В. В., Шепелев И. А. Аэрация промышленных зданий. Аэродинамические коэффициенты промышленных зданий. – М. : Госстройиздат, 1938.

Читать другие статьи по данной теме

- Оценка аэродинамической эффективности вентиляционных систем - Компьютерное моделирование аэродинамических воздействий на элементы ограждений высотных зданий - Об эффективной работе вентиляторов в системах вентиляции. Часть 1 - Об эффективной работе вентиляторов в системах вентиляции Часть 2 -Акустические и аэродинамические характеристики гибких воздуховодов - Компьютерное моделирование аэродинамических воздействий на элементы ограждений высотных зданий - Способы увеличения аэродинамической эффективности вентиляционных систем