Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Обзор литературы и общая постановка задачи 14
1.1 Исторический обзор и современное состояние вопроса 14
1.2 Обзор экспериментальных исследований аэродинамических характеристик обтекания цилиндрических сооружений 17
1.3 Обзор численных методов исследования аэродинамического обтекания сооружений 31
1.4 Стальные башенные сооружения и вытяжные трубы. Методики расчета и конструирования 35
1.5 Конструктивные решения вытяжных башен и их элементов 46
1.6 Цели и задачи исследования 53
Глава 2 Определение нагрузки и реакции при расчете вытяжных башен на пульсационную ветровую нагрузку 55
2.1 Ветровая пульсационная нагрузка, как случайный стационарный
процесс 58
2.1.1 Разложение случайной функции. Представление ветровой пульсационной нагрузки в виде рядов Фурье 59
2.1.2 Спектральная плотность и ковариация стационарного случайного сигнала 63
2.1.3 Определение спектральной плотности реакции сооружения на случайную стационарную нагрузку 67
2.1.4 Взаимная ковариация и функция когерентности двух случайных сигналов 68
2.2 Реакция высотных сооружений на пульсационную ветровую нагрузку...70
2.3 Определение пульсационной ветровой нагрузки при расчете высотных башен 78
2.4 Алгоритм программы, определяющей реакцию сооружения и нагрузку на вытяжные высотные башни при пульсации ветра 81
2.5 Описание процедур программы 84
2.5.1 Главная управляющая процедура 84
2.5.2 Ввод»исходных данных по сооружению 84
2.5.3 Определение или ввод вычисленной статической составляющей ветровой нагрузки на сооружение 85
2.5 А Определение коэффициента пульсации ветра по высоте сооружения...86
2.5.5 Определение коэффициента взаимной корреляции пульсации гармоник скоростей 86
2.5.6 Определение квадрата аэродинамической передаточной функции системы 87
2.5.7 Определение коэффициента корреляции по формам собственных колебаний 88
2.5.8 Определение коэффициента пространственной корреляции пульсации давления 88
2.5.9 Определение произведения коэффициентов динамичности по собственным формам колебаний 88
2.5.10 Определение приведенного ускорения массовых точек по ярусам сооружения и собственным формам колебаний 89
2.5.11 Определение перемещений массовых точек сооружения 89
2.5.12 Определение динамической составляющей ветровой нагрузки по месту массовых точек сооружения 90
2.5.13 Вывод результатов расчета на экран. Завершение программы 90
2.6 Выводы и результаты по главе 2 91
Глава 3. Экспериментальные исследования по обдувке пакета из трех труб с обстройкой в аэродинамической трубе 92
3.1 Описание аэродинамической трубы 92
3.2 Описание экспериментальной модели 97
3.3 Измерительные приборы и аппаратура 100
3.4 Описание экспериментальной установки 101
3.5 Постановка и моделирование эксперимента 102
3.6 Описание хода эксперимента 106
3.7 Выводы по результатам эксперимента 119
Глава 4. Исследования воздействия ветрового потока на пакеты труб с помощью метода контрольных объемов 123
4.1 По становка з ад ачи 125
4.2 Использование газодинамического пакета STAR-CD 130
4.3 Решение газодинамической задачи на основе метода контрольных объемов 135
4.3.1 Основные понятия метода контрольных объемов 135
4.3.2 Определение характеристик потока для одного цилиндра 137
4.3.3 Определение характеристик потока для пакетов из двух, трех и четырех труб 146
4.4 Определение коэффициентов надежности для аэродинамических коэффициентов труб по результатам экспериментов на основе МКО 159
4.5 Выводы и результаты по главе 4 163
Глава 5. Особенности работы башен с пакетами вытяжных труб при воздействии ветровой нагрузки 164
5.1. Методика определения ветровой нагрузки на элементы башен с пакетами вытяжных труб 164
5.1.1 Общая характеристика исследуемых объектов 164
5.1.2 Особенности воздействия ветрового потока на вытяжные сооружения 166
5.1.3 Воздействие ветрового потока на трехгранную башню с пакетом трех труб 166
5.1.4 Особенности формирования расчетной модели по МКО 167
5.1.4 Планирование численного эксперимента при анализе воздействия ветрового потока на пакет из трех труб газоходов с учетом трех труб обстройки 169
5.2 Результаты численного эксперимента по МКО 170
5.3 Анализ качественных характеристик напряженно-деформированного состояния элементов конструкции вытяжной башни с тремя вытяжными трубами 174
5.3.1 Объемно — планировочное решение сооружения 175
5.3.2 Конструктивное решение сооружения 175
5.3.3 Определение нагрузок, действующих на конструкции башни и газоотводящие стволы 178
5.3.4 Определение ветровой нагрузки на башню при учете влияния обстройки 179
5.3.5 Вихревое возбуждение конструкций башни при взаимодействии с потоком ветра. Проверка на резонанс 184
5.3.6. Анализ усилий в элементах башни 184
5.3.7 Анализ перемещений в узлах башни 193
5.4 Методика расчета башенных сооружений с пакетами вытяжных труб на ветровую нагрузку 196
5.5 Выводы и результаты по главе 5 198
Основные выводы и результаты 200
Литература
- Обзор экспериментальных исследований аэродинамических характеристик обтекания цилиндрических сооружений
- Разложение случайной функции. Представление ветровой пульсационной нагрузки в виде рядов Фурье
- Измерительные приборы и аппаратура
- Решение газодинамической задачи на основе метода контрольных объемов
Введение к работе
з
Актуальность темы диссертации. Быстрый рост промышленности и энергетической базы, вызвавший увеличение объемов выбросов вредных веществ выдвинул проблему охраны чистоты атмосферного воздуха. Ключевым мероприятием по борьбе с загрязнением атмосферного воздуха является очистка отходов производства и последующее их рассеивание в атмосфере на большой высоте с помощью вытяжных башен.
Вытяжные башенные сооружения представляют собой пакеты вытяжных труб, как отдельно стоящих, так и поддерживаемых специальной обстройкой. Количество труб и их диаметр определяет контуры обстройки башни.
Большая высота и неблагоприятные аэродинамические формы конструкций башенных сооружений с пакетами труб делает их весьма чувствительными к действию ветровой нагрузки. В нормативной литературе отсутствуют данные исследований взаимного аэродинамического влияния труб газоотводящих стволов друг на друга и влияния обстройки башни на газоходы.
Существующая в настоящее время методика по определению пульсационной составляющей ветровой нагрузки в нормах была разработана около 25 лет назад и ориентировалась в основном на ручной расчет. В свою очередь это требовало упрощений, как расчетных моделей, так и процедур вычисления нагрузки.
Поэтому разработка надежной методики расчета башенных сооружений с пакетами труб на ветровую нагрузку и уточнение ветрового давления на элементы обстройки башни и газоотводящие стволы, является актуальной на сегодня задачей.
Цель и задачи исследования. Целью исследования является разработка методики определения нагрузки и реакции башенных сооружений вытяжных труб при ветровом воздействии, с учетом уточненных значений аэродинамических сопротивлений пакетов цилиндров с разным количеством труб газоходов и обстройкой башни.
Для осуществления этой цели необходимо решить следующие задачи:
-
На основе метода контрольных объемов (МКО) разработать компьютерную методику определения ветрового давления для пакетов из двух, трех, четырех труб и трех труб с учетом влияния труб поясов обстройки при разных углах атаки и разном расстоянии между центрами цилиндров;
-
Выполнить экспериментальные исследования по обдувке в аэродинамической трубе моделей пакетов, состоящих из двух и трех труб газоходов с учетом труб поясов обстройки башни;
-
Разработать методику определения нагрузки и реакции башенных сооружений на пульсационную составляющую ветровой нагрузки;
-
Разработать алгоритм и программу определения инерционных сил при действии пульсационной ветровой нагрузки с учетом корреляционной взаимосвязи собственных форм колебаний башенных сооружений;
-
Произвести анализ качественных характеристик напряженно-деформированного состояния (НДС) башни по результатам расчета на ветровое статическое и пульсационное воздействие. Выполнить сравнение результатов расчета башни по авторской методике с результатами расчета по существующей методике СНиП 2.01.07-85*.
-
Разработка методики расчета вытяжных башен с пакетами труб на ветровую нагрузку с учетом статического и пульсациошюго воздействия.
Научная новизна. Получены следующие новые результаты:
-
Разработана методика определения пульсационной составляющей ветровой нагрузки для вытяжных башен, учитывающая взаимное влияние собственных форм колебаний и предложено правило суммирования реакции сооружения по кратным формам собственных колебаний.
-
Разработан алгоритм для программы автоматизированного расчета, позволяющей рассчитывать реакции и определять нагрузки на башенные сооружения от пульсационного ветрового воздействия.
-
Разработаны расчетные модели пакетов труб на основе метода контрольных объемов (МКО) с применением ПК STAR CD. Определены граничные условия задачи: размер ячеек сетки контрольных объемов, шаг по времени расчета. Моделируется турбулентное течение ветрового потока, что отвечает реальному режиму течения массы атмосферного воздуха.
-
Получены значения аэродинамического сопротивления цилиндров пакетов из двух, трех и четырех труб с учетом их взаимного влияния при разных углах атаки ветра и различном расстоянии между цилиндрами на основе МКО.
-
Получены значения аэродинамического сопротивления цилиндров пакета из трех труб газоходов с тремя трубами поясов обстройки башни при разных углах атаки ветра на основе МКО. Учитывается взаимное влияние труб газоходов и труб поясов обстройки разного диаметра.
-
Проведены эксперименты в аэродинамической трубе на модели пакетов из двух и трех труб газоходов с учетом труб поясов обстройки башни. Получены эпюры распределения ветрового давления на поверхности труб, входящих в пакет. Проведено сравнение результатов модельных экспериментов с результатами по МКО.
-
На основе разработанной автором методики, учитывающей взаимную корреляционную взаимосвязь собственных форм колебаний и уточненные аэродинамические коэффициенты цилиндров пакета газоходов и обстройки башни, проанализированы качественные характеристики напряженно-деформированного состояния элементов вытяжной башни при действии ветровой нагрузки. В результате получены данные, оценивающие ранее не учитываемые факторы, влияющие на работу башенных сооружений с вытяжными трубами.
Практическое значение результатов исследований: 1. Разработана методика определения ветровой нагрузки на башенные сооружения с пакетами труб. Предлагаемая методика может быть
5 использована также при расчете других высотных сооружений башенного типа;
-
Разработан алгоритм и написана программа на языке программирования C++, позволяющая рассчитывать реакцию и определять нагрузку на башенные сооружения от пульсационного ветрового воздействия;
-
На основании предложенной методики произведен анализ качественных характеристик НДС стальной вытяжной башни на действие средней и пульсационной составляющих ветровой нагрузки. Полученные данные могут быть использованы в расчетах подобных сооружений;
-
Результаты диссертации внедрены в ЦНИИСК им. Кучеренко при составлении нормативных документов на проектирование и расчет башенных сооружений.
Автор выносит на защиту:
результаты определения аэродинамических характеристик труб пакетов из двух, трех, четырех труб и трех труб с тремя трубами обстройки башни при разных углах атаки ветра и расстоянии между трубами по МКО;
результаты "обдувки" моделей пакетов труб в аэродинамической трубе и результаты сравнения данных аэродинамических коэффициентов по МКО и модельному эксперименту;
методику определения нагрузки и реакции башенных сооружений на пульсационную составляющую ветровой нагрузки, алгоритм и программу определения инерционных сил при действии пульсационной составляющей ветровой нагрузки;
методику расчета вытяжных башен с пакетами труб на ветровую нагрузку;
результаты анализа качественных характеристик напряженно-деформированного состояния типовой башни высотой 180м при расчете на ветровое статическое и пульсационное воздействие, выполненного по нормативной методике и методике автора диссертации. Достоверность полученных результатов подтверждается:
использованием хорошо апробированных методов строительной механики; достаточной сходимостью результатов тестовых примеров с результатами примеров других авторов; сходимостью аэродинамических параметров цилиндров полученных по МКО с экспериментальными данными обдувок моделей пакетов труб, проведенных автором диссертации в аэродинамической трубе, а также сходимостью результатов аэродинамических параметров цилиндров в тестовых примерах с результатами, полученными по методике СНиП 2.01.07-85* и использованием сертифицированных программных комплексов. Результаты исследований внедрены:
- В ЦНИИСК им. Кучеренко ОАО «НИЦ «Строительство» при составлении
нормативных документов на проектирование и расчет башенных
сооружений;
В ОАО "Самаранефтехимпроект" при расчете и проектировании башенных сооружений и колонных аппаратов на нефтехимических предприятиях;
В учебном процессе СГАСУ. Результаты диссертационного исследования изложены в курсе лекций "расчет конструкций и сооружений при динамических воздействиях", предназначенных для студентов, аспирантов, инженеров и научных работников.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы и
материалы исследований докладывались и обсуждались: на международной
научно-технической конференции «Современные проблемы
совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» (г. Самара 2005г.), на X научно-технической конференции "Надежность строительных объектов" (г. Самара 2007г.) на I и II Всероссийских конференциях "Проблемы оптимального проектирования сооружений" (г. Новосибирск 2008г. и 2011г.) на 5-ой международной научно-практической конференции "Башенные сооружения: материалы, конструкции, технологии" (Украина г. Макеевка, 2009г.), на научно-технических семинарах кафедры металлических и деревянных конструкций СГАСУ и научно-технических конференциях СГАСУ (2005-2010 гг.).
Публикации. По материалам работы имеется 12 публикаций, из которых 3 напечатаны в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации.
Обзор экспериментальных исследований аэродинамических характеристик обтекания цилиндрических сооружений
В промышленной и энергетической отраслях нередко возникает задача, связанная с проектированием высотных вытяжных башен и других конструкций, внутри которых располагаются пакеты труб. Использование нескольких труб в пакете продиктовано удобством эксплуатации, замене их при ремонте, частичном или полном обслуживании [47].
Большая высота вытяжных башен, неблагоприятные аэродинамические формы поперечного сечения балок, стоек и связей, а также оборудования, находящегося внутри таких сооружений, делают их весьма чувствительными к действию ветра и требуют изменения традиционных подходов в проектировании вытяжных башен, внутри которых располагается пакет труб. Возникает вопрос по определению давления ветра на пакеты труб. В нормах СНиП 2.01.07.-85 «Нагрузки и воздействия» даются рекомендации для определения продольного аэродинамического коэффициента для одной трубы и отсутствует информация об определении аэродинамических коэффициентов для пакета труб. Известным автором многих научных статей и книг М.И. Казакевичем рассматриваются вопросы, связанные с аэродинамикой плохообтекаемых тел. В своей книге "Аэродинамика мостов" [42] автор уделяет внимание не только элементам с острыми кромками и коробчатыми сечениями, но также поднимает вопрос об, аэродинамических свойствах нескольких элементов1 круглого сечения, когда расстояние между ними незначительно:
Авторы книги "Проектирование металлических конструкций надземных промышленных трубопроводов" М.И. Казакевич и А.Е. Любин [43] акцентируют свое внимание на влиянии близстоящих труб на сооружение, при этом рассматривая задачи, связанные с возникновением не только продольных, но и поперечных аэродинамических коэффициентов, подтверждая это многочисленными экспериментальными данными.
Ухановым Л.Н. в работе [117] исследованы статистические характеристики турбулентного следа на небольшом расстоянии от цилиндра. Суть работы заключается в экспериментальном исследовании микроструктуры турбулентных течений в наименее изученной области плоского следа за круговым цилиндром, простирающимся на расстоянии 30 калибров от последнего. Как утверждает автор работы [117], именно в этой области наблюдаются сильные периодические возмущения.
В статье [176] изложено изучение структуры следа за сферой, перемещающейся в покоящейся среде при числах Рейнольдса в диапазоне от Re=3(H-4000. В качестве рабочей среды выбрана смесь воды и глицерина. Методами визуализации установлено, что рециркуляционные зоны за сферой симметричны и устойчивы при Re 200, несимметричны и устойчивы при 200 Re 280 и неустойчивы при Re 280. Проведена классификация режимов течения и дано сравнение с известными теоретическими оценками.
Аэродинамические исследования четырех круглых цилиндров описано в работах Кинаша Р.И, Копылова А.Е. [49]. Указания- по определению аэродинамических коэффициентов, для элементов круглого сечения, расположенных в ряд, приводятся в "Руководстве по расчету зданий и сооружений на действие ветра" ЦНИИСК, разработанном М.Ф. Барштейном [11]. Здесь же стоит отметить вклад Цейтлина А.И., Бернштейна А.С., Гусевой Н.И., Попова Н.А. [122], а также Коренева Б.Г., Рабиновича И.М. [112], [113] и Смирнова А.Ф [114].
В книге [39] представлены результаты проведенных исследований обтекания, сопротивления и вибраций гладких, шероховатых и ребристых труб в пучках при поперечном обтекании их потоком воздуха, воды и различных масел при изменении чисел Рейнольдса от 1 до 2 106.
В книге Жукаускаса А.А. [40] представлены данные теоретического .и экспериментального исследований конвективного переноса в ламинарных, турбулентных и отрывных течениях с охватом широкого интервала чисел Рейнольдса и Прандля. Даны практические рекомендации по тепловому и гидродинамическому расчету теплообменников.
Большой вклад в исследовании проблемы изучения аэродинамических характеристик потока для одиночной трубы и для труб, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга внесли авторы книг Роуч П. [98], Takami Н. [172], Гущин В.А. и Коньшин В.Н. [35], Бычков Н.М. [21], Кузнецов О.М. и Попов С.Г. [54], Барштейн М.Ф. [16], Локшин В.А. [60], Ортанский А.П. [71], Казакевич Ф.П. [44], Юдин В.Ф.и Тохтарова Л.С. [135].
След за круговым цилиндром исследовался, с помощью термоанемометрии и визуализации потока в области ламинарно-периодического режима и в переходной области [155].
Разложение случайной функции. Представление ветровой пульсационной нагрузки в виде рядов Фурье
Пульсации скорости в турбулентном потоке, проходящем через некоторую точку, происходят вследствие суперпозиции вихрей, каждый из которых совершает периодическое движение со своей угловой частотой In со = 2я/ (где / - частота) или волновым числом К = — (где Л - длина волны) [107]. Физический процесс пульсации скорости ветра представляет совокупность или семейство функций времени. Выборочная функция такого процесса на каждой частоте есть случайный сигнал.
Значения амплитуд пульсаций скоростей (по каждой выборочной функции) носят ярко выраженный случайный характер и происходят вокруг некоторого среднего значения (рис. 2.1). Случайный процесс, статистические характеристики которого не зависят от выбора времени отчета, является стационарным. Как показано в работе [91], в математическую модель пульсационнои составляющей скорости ветра положена модель стационарного случайного процесса с распределением ординат по нормальному закону.
При рассмотрении стационарного случайного процесса необходимо знать следующие вероятностные характеристики - математическое ожидание или среднее значение амплитуды колебания скорости, дисперсию и корреляционную функцию (ковариацию).
Так как изменение стационарной случайной функции должно протекать однородно по времени, то естественно, чтобы математическое ожидание и дисперсия были постоянными на всем промежутке времени: Мх (t) = Мх = const - математическое ожидание, Dx (t) = Dx, = const - дисперсия.
Идея метода канонических разложений случайной функции состоит в том, что случайная функция, над которой нужно произвести те или иные преобразования, предварительно представляется в виде суммы так называемых элементарных случайных функций. Любую случайную функцию X(t) можно представить в следующем виде [23]: где Mx(t) - математическое ожидание случайной функции X(t), Vl - случайная величина (случайная амплитуда) с математическим ожиданием равным нулю, у/, {t) - обычная (неслучайная) функция.
Смысл представления случайной функции в виде разложения сводится к тому, чтобы свести линейное преобразование случайной функции к таким же линейным преобразованиям нескольких неслучайных — математического ожидания и координатных функций. Это позволяет значительно упростить решение задачи нахождения характеристик случайной функции X{t) [23].
Если в качестве случайной функции рассматривать пульсацию скорости ветра на определенной высоте, то в формуле (2.2) слагаемое Мх (t) есть средняя (статическая) составляющая скорости ветра, а слагаемое Х /(0 " полная динамическая добавка.
При рассмотрении периодической нагрузки ее удобно представить (разложить) в виде рядов Фурье. Реакция для каждого члена ряда представляет собой реакцию при гармонической нагрузке. Общая реакция сооружения определяется суперпозицией параметров реакции для отдельных членов разложения нагрузки (линейная система) [52].
Следует отметить, что в уравнении (2.5) каждому положительному значению п, например п = +гп, соответствует п = -т. Два члена exp(ima t) и exp(—imcot) могут быть представлены как единичные векторы, поворачивающиеся соответственно против часовой и по часовой стрелке с угловой скоростью тсо . При этом С+т является комплексно сопряженным с С_т и поэтому все мнимые части в p(t) уничтожаются.
Имея выражение произвольной периодической нагрузки в экспоненциальной форме рядов Фурье (2.5) и (2.6), следует записать уравнение реакции системы при гармонической нагрузке также в экспоненциальной форме: mz(t) + с z{t) + kz(t) = Qxp(icot), (2.7) где т - масса колеблющейся системы; с - постоянная затухания колебательного процесса; к - жесткость колеблющейся системы; z(t) - реакция системы; z{t) - ускорение колеблющейся системы; z(t) - скорость колеблющейся системы.
Стационарное решение уравнения (3.7) выражается: Здесь Ф{со) - комплексная механическая передаточная функция или амплитудно-фазовая характеристика системы. Величина ф(а ) в формуле (2.8) рассматривается также как коэффициент усиления системы на определенной частоте вынужденных колебаний / = —. Причем Ф{псо) и ф(-псо) являются комплексно сопряженными. В соответствии с принципом суперпозиции полная установившаяся реакция системы при любой периодической функции нагружения представляется в виде:
Преимущество в простоте записи экспоненциальной формы анализа периодической реакции (2.10) по сравнению с (2.3) очевидно.
Введенная в данном пункте механическая передаточная функция системы является важной характеристикой системы - сооружения, позволяющей определить реакцию этой системы на пульсационное воздействие ветра.
Измерительные приборы и аппаратура
Измерительная труба имеет 30 измерительных отверстий диаметром 1,5мм по всему периметру, просверленных через каждые 12. Со стороны прижимного кольца 3 (рис. 3.6) труба имеет отверстие для пропуска капиллярных трубок. Капиллярные трубки промаркированы и каждая соединена со своим измерительным датчиком (фото 3). Внутри измерительного цилиндра каждая из трубок соединена со своим измерительным отверстием.
Простейшим приемником статического давления газа на поверхности трубы, находящейся в потоке, является дренажное отверстие в теле трубы, выходящее на поверхность и с другой стороны соединяющееся с измерительным датчиком (рис. 3.7). Продольная ось отверстия Г должна быть перпендикулярной касательной к поверхности fQ в точке ее пересечения с
продольной осью и таким образом быть направленной по нормали к поверхности Я0, поскольку статическое давление газа действует по нормали к
поверхности тела. Диаметр отверстия d выбирается таким, чтобы оно не вносило возмущений в поток и не искривило линий тока, иначе на частицы газа будет действовать центробежная сила, изменяющая давление газа в районе отверстия по сравнению с давлением невозмущенного потока. С увеличением глубины отверстия L сокращается разность между истинным статическим давлением газа на входе в отверстие Р и давлением в отверстии в его конце Pi, которое фиксируется манометром. Глубина отверстия должна превышать его диаметр не менее чем в два раза L/d 2. Для достаточно глубоких отверстий L/d 2 принимается, что измеряемое манометром давление Pi равно истинному Р,=Р.
Прибором для измерения разности давлений в двух точках газовой среды является датчики давления марки "DUXL 10D" фирмы "HONEYWELL int." (фото 3). Диапазон измерения датчиков до 2500Па. Паспортная погрешность измерения ±1%. Данные с измерительных датчиков поступали на ЭВМ, где происходила их обработка в специально разработанной для этих целей программе. Программа была написана сотрудниками лаборатории аэродинамики дозвуковых скоростей СГАУ. Работа программы была апробирована многолетним опытом ее эксплуатации в лаборатории СГАУ.
Для определения коэффициента давления на каждой трубе пакета из трех труб, между соплом 1 и диффузором 2, на приводе (фото 4) установлена модель пакета трех труб 3 (рис. 3.8). Подвижными частями модели, которые могут вращаться относительно своей оси, является пакет труб (рис. 3.8). Угол поворота модели задается в программе управления аэродинамической трубой. Модель поворачивается автоматически на заданный угол. Приемником статического давления р(а) являются отверстия, просверленное по нормали в трубе 4, и соединенное капиллярными трубками 5 с соответствующими датчиками давления 6. (рис. 3.8, фото 3).
Для определения величины скоростного напора набегающего потока #со=Ао І/2 установлен датчик давления, соединенный с трубкой в двух ее точках — в форкамере и на срезе сопла. Изменение скоростного напора проводится по методу перепада давления. Величина скоростного напора обрабатывается ЭВМ по программе, разработанной в СГАУ (см. п. 3.4) и выводится на экран монитора.
Постановка эксперимента в аэродинамической трубе связана, с необходимостью учитывать физические ограничения по скорости потока, соотношение между миделевым сечением объекта и площадью сопла.
В соответствии с требованиями площадь характерного сечения объекта не должна превышать 12% от площади сопла (60-40 = 2400 см) и равняется 288(см2). Поэтому сечение модели трех цилиндров газоходов выбрано диаметром d = 4 (см), а трех цилиндров обстройки башни d = 1 (см). Отношение цилиндров обстройки башни и газоотводящих стволов 0,25
Решение газодинамической задачи на основе метода контрольных объемов
При рассматривании действия ветровой нагрузки на конструкцию башни и вытяжных труб необходимо учитывать свойства распределения ветрового потока по высоте башни. Согласно [107], при высоте от 0 до 300 метров при скоростях ветрового потока от 20 и до 60 м/сек величина ветрового давления описывается гиперболической зависимостью [107]. Характер воздействия потока газа на пакет труб и на конструкцию обстройки (образование вихрей и т.п.) зависят от чисел Рейнольдса. Анализ величины ветрового воздействия для і различных ветровых районов по СНиП 2.01.07-85 , с учетом изменения по высоте скоростей ветрового воздействия позволил установить, что числа Рейнольдса находятся в диапазоне от RQ=1,33 I06 и до Re=18,75 106 (рис. 4.1, глава 4). В [107], [40], [22] указывается, что в этом случае характер обтекания труб практически остается постоянным.
Поэтому для определения величин давления, характера взаимодействия между действием ветра на обстройку и вытяжные трубы использовано решение плоской газодинамической задачи. [
В [90], [40] указывается на то, что изменение чисел Рейнольдса в закритическом диапазоне оказывает незначительное влияние на суммарные , аэродинамические характеристики блока из двух и трех цилиндров.
Цель, поставленная в текущей главе, заключается в сравнении качественных характеристик (усилий и перемещений) напряженно-деформированного состояния элементов обстройки башни, работающей на ветровую нагрузку, определенную по методике СНиП [108] и методике автора исследования.
Авторская методика определения реакции башенного сооружения на ветровую динамическую нагрузку описана в главе 2. На базе предложенного в главе 2 алгоритма написана программа, позволяющая оценивать перемещения узлов и силы, действующие в узлах башни от пульсационной ветровой нагрузки (блок схема и процедуры глава 2). Кроме того, в авторской методике используются уточненные аэродинамические коэффициенты труб пакета газоходов и обстройки башни, полученные по методу контрольных объемов с помощью ПК STAR-CD.
В качестве примера рассмотрена задача обтекания ветровым потоком трехгранной вытяжной башни с пакетом из трех вытяжных труб (рис. 5.1, 5.4).
Проведен численный эксперимент обтекания пакета трех труб газоходов с учетом труб поясов обстройки башни в ПК STAR-CD. Определены интегральные значения давления на поверхности труб газоходов и обстройки башни для разных углов атаки ветра. Из условия экономии материала обстройка башни выполнена по высоте из труб разного сечения (диаметра). Поэтому для каждого типа сечения обстройки башни моделировалась своя задача. Как показано в работе [4] взаимное влияние труб в пакете перестает быть существенным, когда отношение расстояния между центрами труб и диаметром L/D 3. Следовательно, влиянием труб обстройки на трубы газоходов в месте уширения силуэта несущего каркаса (от земли и до перелома граней) башни можно пренебречь.
Расчет по МКО производился с применением вычислительного комплекса STAR-CD. При решении задачи используется итерационный процесс по времени.
При выборе расчетной модели и для решения задачи необходимо задавать следующие данные: 1. Размер области. При задании размеров области учитываются результаты, полученные при решении задачи с применением метода конечных разностей в работе [4]. Согласно этим данным размеры каждой стороны области должны быть не менее двадцати характерных размеров обдуваемой поверхности. 2. Задаются начальные и граничные условия задачи: Начальные условия задачи - покоящаяся среда. Граничные условия задачи: 2.1 На входе в расчетную область задается скорость потока п=25{м/с), 2.2 Движение скоростного потока задается турбулентным. Интенсивность турбулентности у = 1%. 2.3» На выходе - условие постоянства давления р = р . 2.4 На удаленных внешних боковых границах - условие аэродинамически гладкой стенки (условие непротекания). 2.5 На внутренней границе труб задается условие прилипания, то есть скорость на поверхности трубы должна быть равна нулю: Vx=0, Vy=0 (рис. 4.3). 3. Задаются физические характеристики среды (плотность, вязкость, теплоемкость и др.). 4. Область вокруг трубы в пределах пограничного слоя разбивается сеткой размером ячейки 0,00 ID (D- диаметр трубы). Размер ячеек в непосредственной близости от трубы равен 0,017D (область I рис. 5.2). Выделенная область за трубой, где может происходить возникновение вихрей [107], [80], разбивается на ячейки размером 0,1D (область II рис. 5.2). Все остальные области разбиваются сеткой размером 0,3D (область III рис. 5.2).
