Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние вопроса 11
Глава 2. Методика физического моделирования 29
2.1. Критерии подобия 29
2.2. Экспериментальный стенд и используемые модели 34
2.3. Методика проведения основных типов экспериментов 43
Глава 3. Исследования течения в окрестности плохообтекаемых тел в условиях интерференции 54
3.1. Анализ картин течения в окрестности двух призм квадратного поперечного сечения 54
3.2. Пульсации скорости в следе за двумя призмами квадратного поперечного сечения 62
3.3. Выводы к главе 3 75
Глава 4. Аэроупругие колебания призмы прямоугольного поперечного сечения в условиях интерференции 77
4.1. Анализ картин течения в окрестности двух призматических тел, одно из которых совершало поперечные колебания 77
4.2. Аэроупругие колебания прямоугольной призмы в условиях интерференции 83
4.3. Выводы к главе 4 109
Глава 5. Исследования моделей реальных сооружений в условиях интерференции 111
5.1. Исследования высотных зданий в городе Красноярске 111
5.1.1. Оценка ветровых нагрузок, опасности возникновения ветрового резонанса и галопирования 114
5.1.2. Параметры модельного приземного слоя атмосферы 123
5.1.3. Визуализация течения 126
5.1.4. Определение чисел Струхаля для пульсаций ветровой нагрузки 131
5.1.5. Определение осредненных и пульсационных составляющих ветровой нагрузки 134
5.2. Исследования пролетного строения моста через реку Томь
в городе Кемерово в условиях интерференции 147
5.2.1. Анализ амплитудно-скоростных характеристик динамически подобной модели пролетного строения моста 151
5.2.2. Гашение аэроупругих колебаний пролетных строений мостов 160
5.3. Выводы к главе 5 172
Заключение 174
Список литературы 177
- Экспериментальный стенд и используемые модели
- Пульсации скорости в следе за двумя призмами квадратного поперечного сечения
- Аэроупругие колебания прямоугольной призмы в условиях интерференции
- Параметры модельного приземного слоя атмосферы
Введение к работе
Актуальность темы. В современной строительной индустрии широко применяются протяженные конструкции, имеющие плохообтекаемые сечения. Опыт их возведения и эксплуатации показывает, что ветер представляет серьезную опасность как для сооружений в целом, так и для их элементов.
Уплотнение городских застроек и ведение строительства в несколько этапов приводит к тому, что многие сооружения оказываются в условиях аэродинамической интерференции. При этом происходит изменение структуры потока в окрестности строений, возникновение непредсказуемых распределений давлений на их поверхностях и нестационарных аэродинамических сил, приводящих к аэроупругим колебаниям конструкций. В частности, при аэродинамических исследованиях на кафедре аэрогидродинамики НГТУ в 2001 году моста через р. Иртыш в г. Омске, возводимого в две очереди, было установлено следующее. При надвижке пролетного сооружения второй очереди на характер и интенсивность ее колебаний оказывал влияние уже построенный пролет первой очереди моста. При этом наблюдался не только «классический» бафтинг при расположении монтируемого строения в следе построенного, но и усиление колебаний при противоположном направлении ветра. Для понимания структуры течения в окрестности близко расположенных сооружений (например, мостов или высотных зданий) необходимы подробные многосторонние исследования аэродинамических характеристик типичных форм строительных конструкций, а именно квадратных и прямоугольных призм, в условиях интерференции.
Проведенный анализ отечественных и зарубежных литературных источников показал, что в основном научные работы посвящены изучению аэродинамических характеристик и аэроупругой неустойчивости одиночных цилиндров с различными поперечными сечениями. Аналогичные исследования пло-хообтекаемых тел в условиях аэродинамической интерференции в большом объеме имеются только для круговых цилиндров. В то же время, для двух квадратных или прямоугольных призм данные о структурах потока, нестационарных характеристиках течения в их окрестности и аэроупругой неустойчивости в литературных источниках представлены в ограниченном количестве. Учитывая широкое применение в строительной отрасли элементов конструкций, близких по форме к призме, было решено провести детальные исследования нестационарного обтекания подобных тел, а также их аэроупругой неустойчивости в условиях интерференции.
Цель работы - экспериментальное исследование нестационарных характеристик течения в окрестности двух плохообтекаемых призматических тел в условиях интерференции.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
1. Визуализировать структуры течения в окрестности двух плохообтекаемых призматических тел.
Провести термоанемометрическое зондирование аэродинамического следа, возникающего позади двух плохообтекаемых тел.
Исследовать характер и интенсивность аэроупругих колебаний плохообтекаемых призматических тел в условиях интерференции.
Достоверность полученных результатов обеспечена их повторяемостью во время исследований, проведенных в разное время, оценкой погрешности измерений и согласованием с опубликованными ранее данными о характеристиках подобных течений.
На защиту выносятся:
Результаты экспериментального исследования влияния относительных продольных (S/H = 0... 10) и поперечных (GIH =0...10) расстояний между квадратными призмами на структуру течения в их окрестности, на основании которых установлена многовариантность реализующихся типов структур обтекания при M«l, Re~0,3xl04Ha = 0.
Данные исследований в однородном малотурбулентном потоке при M«l, Re = 0,3x105...0,4x105 и a = 0 по влиянию относительных расстояний между квадратными призмами на числа Струхаля для пульсаци-онных составляющих скорости в аэродинамическом следе.
Результаты о существовании нескольких типов вихревых структур, а также бистабильности течения, полученные в процессе визуализации обтекания большого числа конфигураций, состоящих из двух прямоугольных призм с относительной шириной сечений по потоку Ъ/Н = 2/3 (где Ъ - ширина поперечного сечения, Н - высота сечения), одна их которых совершала колебания поперек потока, а другая была установлена неподвижно при M«l, Re ~ 4,2хЮ3 и a = 0.
Данные экспериментального исследования аэроупругих колебаний прямоугольной призмы (Ъ/Н = 21Ъ) в присутствии такой же неподвижной призмы, а также результаты о новых видах аэроупругой неустойчивости, обусловленной аэродинамической интерференцией призм при М«1, Re = l,2xl04...l,3xl05Ha = 0.
Результаты исследований моделей двух высотных зданий в г. Красноярске и динамически подобных моделей двух пролетных строений мостов через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр, а также аэродинамические устройства для гашения колебаний этих сооружений.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1. Установлено существование семи типов вихревых структур в окрестности двух квадратных призм при Re ~ 0,3x104, a = 0 и пяти типов вихревых структур в окрестности двух прямоугольных (Ъ/Н = 2/3) призм при
Re ~ 4,2x10 , a = 0 в условиях интерференции при изменении относительных продольных и поперечных расстояний между ними в широких диапазонах (S/H = 0...10, GIH = 0...10 и XIН = 0...12, Y/H= 0...5,5 для квадратных и прямоугольных призм соответственно).
Получены границы существования бистабильности и перемежаемости течения в окрестности двух плохообтекаемых тел при изменении их взаимного положения (для призм с Ъ/Н=1: 5///=2,5, G///=0,1... 10; для призм с Ь/Н = 2/3: Х/Н = 2...2,5, Y/H = 0).
Выявлены характерные виды колебаний для призматического тела (Ъ/Н = 2/3) в условиях его интерференции с телом такой же формы, и впервые получена классификация этих видов колебаний в зависимости от взаимного расположения тел друг относительно друга (А7//=0...7; Y/H = 0...5) в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Re = l,2xl04...l,3xl05Ha = 0).
Впервые получены области изолиний амплитуд колебаний модели призмы прямоугольного сечения (Ъ/Н = 2/3) при расположении в ее окрестности неподвижной призмы таких же размеров.
актическая ценность работы:
При сопоставлении результатов визуализации и термоанемометрических исследований двух неподвижных призм с квадратными поперечными сечениями в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Re = 0,3x105...0,4x105, а = 0), получены характерные структуры обтекания и зависимости чисел Струхаля для пульсаций скорости от относительных расстояний между ними (S/H = 0... 10 и GIH =0...10).
Получены характерные структуры течения в окрестности колеблющейся призмы с прямоугольным поперечным сечением (Ъ/Н = 2/3) в однородном малотурбулентном потоке (M«l, Re = 1,2x104... 1,3x105, а = 0) в условиях аэродинамической интерференции для различных режимов аэроупругой неустойчивости.
Систематизированы данные об интенсивности и характере аэроупругих колебаний прямоугольной призмы (Ъ/Н = 2/3) в присутствии такой же неподвижной призмы в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Re = l,2xl04...l,3xl05,a = 0).
Выявлены наиболее и наименее опасные с точки зрения возникновения интенсивных аэроупругих колебаний компоновки исследуемых прямоугольных призм. Наиболее опасные соответствовали относительным амплитудам колебаний Атах/л22 > 1 при XIH = 2,5... 3,5 YIH = 0.. .2,5, а наименее опасные - Атлх/Аи < 0,4 при XIН = 0,8...2, YIH = 0,5...2,5 и
XIН =4...6, YIH = 0...1, где ^тТх - максимальное значение относительной амплитуды колебаний одиночной прямоугольной призмы.
5. Осуществлено внедрение результатов продувок на стадии проектирова
ния жилого комплекса из двух высотных зданий в г. Красноярске и при
монтаже пролетных строений мостовых переходов, возведенных через
р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр.
Личный вклад автора. Диссертант принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении экспериментальных исследований в дозвуковой аэродинамической трубе Т-503 и обработке экспериментальных данных. Автором проведен подробный анализ течений в окрестности двух плохообтекае-мых призматических тел в условиях интерференции, а также анализ влияния неподвижного призматического тела на характер и интенсивность колебаний такого же упруго-подвешенного. Представление в диссертации результатов совместных работ согласовано с соавторами.
Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты использовались при проведении в 2001-2011 годах хоздоговорных НИР, направленных на изучение аэроупругих колебаний пролетных строений мостов и разработку устройств для гашения этих колебаний (мосты через р. Томь в г. Кемерово и р. Обь у пос. Красный Яр), а также направленных на исследование аэродинамических нагрузок на жилой комплекс из двух высотных зданий в г. Красноярске. Имеется два акта о внедрении результатов исследований.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (2007 г.), XIV и XV Международных конференциях по методам аэрофизических исследований ICMAR (2008, 2010 гг.), VII...VIII школах-семинарах СибНИА (2009,
гг.), научно-практических конференциях молодых специалистов и учёных «Перспективные технологии самолётостроения в России и мире» (2010,
гг.), а также на XI и XII Всероссийских научно-технических конференциях «Наука. Промышленность. Оборона» (2010, 2011 гг.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 6 - в сборниках научных трудов, 8 - в сборниках трудов Международных и Всероссийских научно-технических конференций, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Рукопись диссертации состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 176 страницах основного текста, содержащего 125 рисунков и 3 таблицы, списка литературы (121 наименование) и приложения, в котором представлены акты внедрения результатов работы.
Экспериментальный стенд и используемые модели
Методика определения амплитуд колебаний различных моделей в зависимости от скорости набегающего потока достаточно хорошо отлажена на кафедре аэрогидродинамики НГТУ и подробно представлена в работе [63]. При проведении исследований аэроупругих колебаний секционной модели призмы прямоугольного поперечного сечения и динамически подобных моделей пролетных строений мостов предварительно была проведена градуировка информационно-измерительного комплекса (ИИК), которая для каждой модели имела свои особенности. Основным показателем интенсивности колебаний модели является их амплитуда. Важным требованием нагружения секционной модели при градуировке является приложение веса гирь в центре симметрии. Модель при этом совершит плоскопараллельное перемещение вниз, которое измеряется индикатором часового типа. Отклонения любой точки от исходного состояния будут одинаковы. При постоянной жесткости пружин имеется четкая связь между перемещением модели и деформациями тензоэлемента, измеряющего усилия, действующие на элемент подвески. В этом случае градуировочный коэффициент стенда, евязывающий перемещение модели с показаниями измерительного канала, определялся только напряжением питания датчиков и коэффициентом усиления сигнала.
Динамически подобная модель, представляет собой защемленную консоль, которая, совершая свободные колебания под действием распределенной нагрузки, деформируется некоторым сложным образом, при этом форма упругой линии зависит от вылета конеоли и распределения жесткости и массы вдоль нее. Воспроизвести такую же форму прогиба приложением сосредоточенной силы (например, градировочной гири) не предетавлялось возможным. В этом случае для градуировки по перемещению иепользовался следующий метод. К концу колеблющейся на установившемся режиме модели с помощью координатника сверху подводился с шагом около 0,5 мм длинный тонкий щуп. Момент касания его о верхнюю грань региетрировался по характерному стуку, показания ИИК при этом не должны были заметно меняться. Действительная амплитуда емещения модели определялась по шкале координатника. После этого при тех же настройках ИИК производится нагружение модели с помощью вееа гирь. Точка приложения грузов определяется из условия одинаковых деформаций в месте наклейки тензодатчиков как при колебаниях с известной амплитудой, так и под действием сосредоточенной нагрузки в виде градуировочной гири. Координата точки подвеса гирь составляла величину 75...85 % от вылета консоли. Таким образом, при градуировке каждому весу гири, приложенному в точке подвеса, будут соответствовать некоторое перемещение конца балки и определенный электрический сигнал с тензодатчиков. Найденные таким образом градуировочные зависимости вводятся в компьютер и используются для решения обратной задачи - вычисления перемещений конца балки. возникающих в процессе аэроупругих колебаний, по соответствующим электрическим сигналам с тензодатчиков.
При исследованиях упруго подвешенной модели призмы и динамически подобных моделей пролетных строений мостов были зарегистрированы две основных формы колебаний. Во-первых, это возникающие в строго определенном диапазоне скоростей поступательные колебания в вертикальной плоскости, которые далее рассматриваются в главах 4 и 5. Во-вторых, были отмечены крутильные колебания относительно горизонтальной оси, перпендикулярной направлению набегающего потока. Так как данная форма колебаний возникала при значительно больших скоростях, чем поступательные, то подробно она не изучалась. Натурные критические скорости ветра, при которых возникают крутильные колебания на реальных сооружениях исследуемого типа, намного превышают нормативы СНиП 2.05.03-84 [71]. При необходимости отстройки от крутильных колебаний применялась догрузка модели дополнительными массами вблизи центра тяжести. Прирост массы приводил к падению частоты поступательных колебаний, а значит - и к снижению соответствующей резонансной скорости. А так как момент инерции системы почти не менялся, то и не изменялись частота крутильных колебаний и скорость начала «крутильного» резонанса. Колебания других форм наблюдались редко и мало влияли на вертикальные поступательные колебания, так как имели относительно малую интенсивность и были значительно разнесены по частотам.
Величина амплитуды колебаний модели в условиях конкретной системы, обладающей некоторыми параметрами демпфирования, сама по себе не достаточно отражает способность исследуемого тела к возбуждению и развитию колебаний. Для получения более универсальных аэроупругих характеристик необходим учет диссипативных свойств осциллятора. Для этого определялся декремент колебаний динамически подобных моделей пролетных строений мостов через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр. После выхода моделей на резонансный режим колебаний, резко перекрывался поток в рабочей части трубы, после чего регистрирующая аппаратура фиксировала процесс затухания колебаний. Другие епособы возбуждения моделей (подвеска груза и перерезывание или пережигание удерживающего груз шнура) оказались неприемлемыми, т.к. сопровождались значительными возбуждениями побочных форм колебаний.
Зависимость логарифмических декрементов колебаний от относительных амплитуд находилась численной обработкой осциллограмм затухающих колебаний.
Как известно, логарифмический декремент колебаний д определяется из осциллограммы свободных затухающих колебаний динамичееки подобной модели пролетного строения моста без потока (рис. 2.13);
Учитывая, что для реальных конструкций АА мало, можно принять Зависимость 5 = /(А) определялась с помощью метода скользящего среднего. Аппрокеимируя огибающую оециллограммы полиномом куеочно, для середины участка находилея декремент колебаний и далее с шагом в период двигались вперед. Для устранения высокочастотных пульсаций были использованы косинусоидальные окна вида cosn(x) с и=2. По этой методике обрабатывались не только осциллограммы затухающих колебаний, но и осциллограммы развития колебаний моделей в потоке. Следует отметить, что зависимость логарифмического декремента колебаний от амплитуды в течение всех исследований была довольно стабильной
Пульсации скорости в следе за двумя призмами квадратного поперечного сечения
В случае, когда значения зазоров между балками изменялись в диапазоне С/Я=0...0,2, при прохождении датчика термоанемометра позади них в спектрах можно было наблюдать доминирующие частоты практически в тех же областях, что и для балок, расположенных вплотную. Числа Струхаля, рассчитанные по размеру Я, принимали значение 0,05±0,003. При этом, если в качестве характерного размера для расчета чисел Струхаля использовалось Нгф то полученные значения не менялись при увеличении относительного зазора GIH и равнялись 0,11. Хотелось бы отметить, что в спекзрах пульсаций четкие пики вoзникали только тогда, когда датчик термоанемометра проходил боковые области 2 -4Я, 2 4Я, И схода вихрей между балками термоанемомегром не было зафиксировано. Непосредственно за балками образуется широкий турбулентный след, а вихревая дорожка формируется существенно ниже по потоку (х 5Я, 2 4Я, 2 -4Я). Поэтому можно сказать, что две балки, расположенные достаточно близко друг к другу, обтекаются как единое тело, обладающее прямоугольным поперечным сечением с отношением сторон сечения Н/Н,.ф и в этом случае число Струхаля, рассчитанное по ширине следа в точках отрыва потока, остается постоянным.
Для балок, расставленных друг от друга на расстояние С/Я=0,5...1,5, в областях предполагаемого схода вихрей согласно спектральному анализу присутствуют две чаетоты, которым соответствуют числа Струхаля Sh«0,06 и Sh 0,18 (рис. 3.14, а, с). Согласно визуализационным картинам, небольшой зазор между призмами изменяет структуру течения в их окрестности, разделяя ближний след за ними на узкий и широкий, тем самым, изменяется частота схода вихревых структур. При данных зазорах уже нельзя утверждать, что модели обтекались как одно тело.
При измерениях пульсаций скорости в следе за балками, удаленными друг от друга более чем на 2#, получено, что за каждой их них формируется своя вихревая дорожка. Возникающие дорожки сходят с одинаковой частотой, соответствующей числу Сгрухаля Sh«0,13, и ниже по потоку пересекаются уже на расстоянии ЪН от задних граней призм (рис. 3.15). Хотелось бы отметить. что при GIH=2...9 в окрестности оси ОХ в спектрах еще можно было выделить четкие пики (рис. 3.15, а), а при G/#=10 спектры пульсаций уже были размыты (рис. 3.16). Это свидетельствует о том, что при зазоре G/H 9 вихревые дорожки, сходящие с каждой призмы, перестают пересекаться.
Спектры пульсаций скорости в следе за двумя призмами (G/H = 10). На рис. 3.17 представлен график зависимости числа Струхаля от безразмерного зазора между балками. Видно, что диапазон С/Я =ДЩ можно условно разделить на три области в зависимости от значения числа Струхаля. Одна область характеризуется тем, что если балки расположены близко друг к другу, то в диапазоне значений С/Я=0...0,2 числа Струхаля равны Sh«0,05. При дальнейшем увеличении параметра GIH до значения 1,5 возникает неоднозначность обтекания балок, которая проявляется в существовании двух чисел Струхаля Sh = 0,06 и 0,18, что отражает следующая область. Для последней области характерно одно число Струхаля Sh = 0,13, так как при зазоре GIH = 2... 10 с каждой балки сходят отдельные вихревые дорожки Кармана, имеющие одинаковые частоты, совпадающие с часто гой схода вихрей с одиночной балки квадратного сечения. Таким образом, можно утверждать, что существенное интерференционное взаимодействие призм (изменение структуры течения и частоты схода вихрей) проявляется только до GIH= 2.
Зависимость чисел Sh от относительного зазора для двух цилиндров с квадратными поперечными сечениями представлена в работе [79]. При значении зазора G/H 2 полученные в настоящей работе данные хорощо согласуются с результатами, представленными в [79], показывающие, что при таких значениях зазоров числа Струхаля совпадают с соответствующими значениями для одиночной квадратной призмы. Однако в интервале значений GIH = 0,4... 1,9 согласно [79] каждому относительному расстоянию между балками GIH соответствовало три числа Струхаля, рассчитанные по трем модам частоты. Причем с увеличением относительного интервала GIH числа Sh монотонно приближались к значению числа Струхаля для одиночной квадратной призмы. В данной же работе, числа Sh рассчитывались по доминирующим пикам первой моды частоты, второй и третей мод частот не наблюдалось. Замеры пульсаций скорости проводились в основном в трёх сечениях, удалённых от задней грани второй по потоку призмы на следующие расстояния: х = ЪН, 5/7, 8/7. Для некоторых компоновок замеры пульсаций были проведены в дополнительных сечениях, удаленных от задней грани верхней по потоку призмы, на 2Я, ЪН, 5Я или 8Я. В ходе эксперимента в каждом из этих сечений датчик термоанемометра перемещался поперек потока и производил измерения примерно в 20-ти точках.
За установленными вплотную друг к другу призмами (S/H=0) термоанемометрические измерения показали, что позади них действительно образуется одна дорожка Кармана. Частоты, полученные в местах предполагаемого схода вихрей (-0,5Я z 0,577), соответствуют числу Струхаля Sh = 0,08 (рис. 3.18, а), что свидетельствует об обтекании двух призм как одного тела с прямоугольным сечением. Данные результаты совпадают с литературными данными, приведенными для тел с подобным прямоугольным сечением [19, 39,91].
Наличие небольшого зазора между призмами (5/Я = 0,5... 1,0) приводит к резкому увеличению частоты схода вихрей, соответствующей числу Струхаля Sh 0,13 (рис. 3.19). Для призм с отношением сторон С/В = 2,0...3,8 (С -продольный размер призмы, В - поперечный размер призмы) возможны отрывы вихрей с разными частотами, в зависимости от того, присоединяется ли оторвавшийся поток к тыльной грани или нет [20]. Это дает основания предположить, что при данном зазоре две призмы обтекаются как одно тело с соответствующим прямоугольным сечением, при этом оторвавшийся поток с передней грани верхней призмы присоединяется к тыльной грани нижней.
В случае, когда относительный зазор S/H увеличивался от 1 до 2,5, измерения пульсаций скорости проводились не только в трёх основных сечениях, но и в одном дополнительном, проходящем в межбалочном пространстве (рис. 3.20). При каждом значении S/H в епектрах частот пульсаций скорости за верхней и за нижней по потоку призмами выделялась одна и та же частота схода вихрей, соответетвующая конкретному числу Сгрухаля (рис. 3.20, а, б). Следует отметить, что увеличение зазора от \Н до 2,5Я привело к постепенному уменьшению числа Сгрухаля до значения 0,1 ±0,02, что являетея проявлением интерференционного взаимодействия двух призм. a
За призмами, удаленными друг от друга более чем на 2,5Н, также как и в предыдущем елучае измерения пульеаций екороети проводилиеь позади каждой призмы. По рие. 3.21 видно, что при данном раеположении призм аэродинамичеекий елед позади нижней по потоку призмы шире, чем елед за верхней. Пики доминирующих чаетот наблюдалиеь в епектрах, полученных в местах предполагаемого схода вихревых структур, а именно при перемещении датчика термоанемометра влево или вправо от боковых граней призм.
Аэроупругие колебания прямоугольной призмы в условиях интерференции
Виды колебаний и значения максимальных относительных амплитуд колебаний секционной модели призмы, в зависимости от её координат XIH и Y/H относительно неподвижной модели, представлены на рис. 4.39 и 4.40. Знаки «-» по осям XIH и YIH означают, что неподвижная модель находилась но потоку за колеблющейся и под ней соответственно.
Когда в окрестности двух призм возникали картины течения V-то типа, колебания упруго-подвешенной модели близки к ветровому резонансу (1) (неподвижная модель находилась перед колеблющейся по потоку) либо отсутствовали полностью (неподвижная модель находилась позади колеблющейся) (рис. 4.39). Максимальные значения относительных амплитуд изменялись в диапазоне Лтах/#=0...0,39, при этом оставались меньше соответствующих значений для одиночной секционной модели призмы (A Z 0,47). Можно сказать, что взаимодействие вихрей, сходящих с передней по потоку призмы с потоком, возмущенным нижней призмой, приводило к умсньщению еуммарной завихренности и ослаблению колебаний.
Колебания с амплитудами, превыщающими половину высоты пролетного строения моста (что характерно для одиночной секционной модели призмы), являются опасными, так как, к примеру, при высоте главной балки мостового перехода 3 м, размах колебаний в вертикальной плоскости будет составлять 1,5 м. Подобные интенсивные колебания многотонной конструкции могут не только приостановить процесс сгроительства, но и привести к катастрофе. С точки зрения безопасности, строящийся мост следует раеполагать, согласно рис. 4.40, на расстояниях XIH 3 и YIH I от уже построенного, когда наблюдалось снижение амплитуд колебаний (AmJH 0,2).
Несимметричное обтекание моделей, расположенных на одной вертикальной линии (7-вый режим течения), приводило к полному демпфированию колебаний (рис. 4.40). Возникновение застойной зоны между моделями, из которых верхняя по потоку неподвижна, а нижняя колеблющаяся, приводило к снижению амплитуд колебаний последней. При зеркальной компоновки, образование застойной отрывной зоны способствовало возникновению опасных колебаний 2-ого и 4-0го видов е больщими амплитудами AmJH 0,5. В случае критического диапазона между моделями, когда реализовывалась IV-я картина течения, характер колебаний менялся, но интенсивность их оставалась высокой.
Механизм усиления колебаний состоит, по-видимому, в том, что интенсивность вихрей, сходящих с нижнего по потоку тела, усиливалась за счет прохождения мимо них в благоприятной фазе вихрей от верхнего по потоку тела. Усиление пульсаций циркуляции вихрей в условиях дозвукового потока распространялось до впереди стоящего тела, вызывая увеличение амплитуды его колебаний.
Особое внимание следует обратить на то, что когда неподвижная модель расположена позади колеблющейся, усиления амплитуд колебаний (AmdK/H 0,5) возможно в достаточно большой области изменения относительных координат XIH и Y/H, и это необходимо учитывать при набвижке пролетного строения моста вблизи уже построенного мостового перехода, аналогичного еечения. Данные результаты для двух одинаковых призм е относительной шириной сечений Ь/Н= 2/3 являются новыми и ранее не встречались в литературе.
По результатам, представленным в данной главе, можно сделать следующие выводы: 1. Визуализация течения с помощью метода «дымящей проволочки» при М«1, Re 4,1 хЮ3 и а = 0 в окрестности двух прямоугольных призм с относительной шириной сечений Ъ/Н = 2/3, одна их которых совершала колебания поперек потока, а другая была установлена неподвижно, позволила систематизировать картины обтекания на пять режимов в зависимости от относительных расстояний между ними в продольном {Х/Н= 0.. .7) и поперечном (Y/H= 0.. .5) направлениях. 2. При расположении неподвижной модели призмы в следе колеблющейся установлено критическое расстояние (Х/Н= 2...2,5; Y/H= 0), при котором проявлялось явление бистабильности. 3. Интерференционное влияние неподвижной призмы прямоугольного сечения при М«1, Re=1,2хl04...1,3x10 и а = 0 заключается в изменении картин обтекания колеблющейся призмы идентичного сечения (по сравнению с обтеканием изолированной призмы), которое приводит к изменению характера и интенсивности колебаний этого тела. Эти изменения зависят не только от продольного и поперечного расстояний между исследуемыми призматическими телами, но и от того, со стороны какого тела направлен поток (колеблющегося или неподвижного). 4. Выявлены области относительных продольных и поперечных расстояний между призмами, соответствующих уменьшению ( тт / 1, Х/Н= 0,8...2, 7/Я= 0,5...2,5) или увеличению (A /l Z h Х/Н=2,5...3,5 Y/H= 0...2,5) относительных амплитуд колебаний упруго-подвешенной модели призмы.
Параметры модельного приземного слоя атмосферы
В процессе экспериментов проведена визуализация течения методами дымовой струйки, дымящей проволочки и шелковинок в окрестности высоток при круговой продувке макета. При этом исследовалась форма линий тока, параметры отрывных зон, вихревых течений. По результатам следует выделить некоторые особенности течения в окрестности моделей двух высотных зданий.
При господствующем юго-западном и противоположном северо-восточном направлениях ветра одно из зданий полностью расположено в аэродинамическом следе другого (рис. 5.13 и 5.10 соответственно). При этом между зданиями по всей высоте формируется застойная зона с интенсивным перемешиванием внутри зоны (рис.5.13, б) и слабым обменом с внешним потоком. Это необходимо учитывать при расчете режимов работы систем вентиляции и кондиционирования зданий. Кроме этого следует отметить, что при северо-восточном направлении ветра расположенное выше по потоку шестнадцатиэтажное здание сильно возмущало течение перед высотками, что приводило к повышенным пульсациям скорости и давления на поверхности зданий.
При юго-восточном и северо-западном направлениях наблюдалось сильное поджатие струек тока между высотными зданиями, что может вызвать повышение скорости течения и, стало быть, местного динамического давления (рис. 5.11 и 5.14). Таким образом, на участках, где расстояние между высотками минимально, возрастание динамического давления может привести к повышенным аэродинамическим нагрузкам на навесные фасадные системы зданий.
При ветре северного и близких к нему направлений высотные здания обтекались практически как единое целое, образуя за собой широкий аэродинамический след (рис.5.9 и 5.12). При этом нижние части домов попадали в аэродинамический след, возникающий при обтекании расположенных выше по потоку сооружений микрорайона. Это приводило к уменьшению средней скорости ветра и увеличению пульсационной составляюшей в этих зонах.
При южном и близких к нему направлениях ветра на характер потока существенное влияние оказывает рельеф местности. Профиль скорости ветра над относительно гладкой водной поверхностью становится более наполненным, затем при движении потока вверх по склону берега реки происходит поджатие струек тока и, следовательно, следует ожидать увеличения скорости в нижней части зданий.
На основании визуализации потока получены полные картины течения в окрестности исследуемых зданий при всех направлениях ветра. Структуры течения вокруг моделей высоток при господствующем юго-западном и южном направлениях ветра приведены на рис.5.15 и 5.16 соответственно.
Знание структуры течения в окрестности исследуемых зданий при различных направлениях ветра позволило более осознанно решать вопросы учета местных усилений ветровых нагрузок при проектировании навесных фасадных систем, расположения вентиляционных выбросов и местных заборов чистого воздуха.
Для определения характерных чисел Струхаля производились измерения пульсаций скорости потока в окрестности зданий на высоте 0,75ЯЗД. Данные эксперименты выполнялись при различных направлениях ветра с интервалом по азимуту 11 15 , т.к. для сокращения времени продувок они были совмещены с дренажными испытаниями. В продольном направлении замеры проводились при различных расстояниях в диапазоне (0,25-Ю,5)Язд от середины минимального промежутка между зданиями. Поперек потока ширина исследуемого диапазона обычно доходила до значения Язд.
Результаты исследований показали, что независимо от направления ветра в окрестности пары зданий спектр частот пульсаций размыт (рис. 5.17, в), что не позволяет четко выделить одну доминирующую частоту и соответствующее ей число Sh.
Известно, что за цилиндрическим телом, расположенным перпендикулярно направлению равномерного потока, образуется вихревая дорожка Кармана, и в спектре наблюдается четкий пик частоты схода вихрей. На спектр же частот двух исследуемых высотных зданий влияет множество факторов: степенной характер распределения скорости по вертикали, повышенная турбулентность потока, подстилающая поверхность, окружающая городская застройка, переменная ширина сечения самих зданий по высоте, а также интерференция двух близко расположенных зданий.
Поэтому для выявления главных факторов, приводящих к «размыванию» частотного спектра, было рещено провести ряд дополнительных исследований с близким по форме призматическим телом. Измерения проводились на экране в потоке без решетки и за решеткой, моделирующей профиль средней скорости, характерный для приземного слоя атмосферы, тем самым, последовательно исключалось влияние всех перечисленных выше факторов. Эксперименты проводились при числах Рейнольдса Re = 0,5-10 ...1,4-10 . Было установлено, что в следе за одиночной призмой в однородном потоке наблюдался четкий пик частоты соответствующий числам Струхаля Sh = 0,09, когда большая сторона сечения призмы была перпендикулярна направлению потока и Sh = 0,15, когда большая сторона сечения призмы установлена параллельно направлению потока (рис 5.17, а). Эти результаты неплохо согласуются с литературными данными [20], приведенными для призм малого удлинения и близким по форме поперечным сечением.
Аналогичные результаты получены и для одиночного высотного здания, имеющего по сравнению с призматическим телом переменное по высоте сечение (рис.5.17, б).
Для определения влияния распределения параметров потока, характерных для приземного пограничного слоя атмосферы, призматическое тело исследовали в потоке над «голым» экраном (без окружающей застройки) за неравномерной решеткой при числах Рейнольдса Re = 0,4-105...1,Ы0 . Результаты показали, что в спектре частот также присутствовал четко выраженный пик, соответствующий числам Струхаля Sh = 0,11, когда большая сторона сечения призмы была перпендикулярна направлению потока и Sh = 0,13, когда большая сторона сечения призмы установлена параллельно направлению потока
Похожие диссертации на Аэродинамика плохообтекаемых призматических тел в условиях интерференции
