Ветротехника

Исследование воздействия ветра на природную и искусственную среду.

Визуализация контуров скорости ветра вокруг дома

Ветротехника охватывает аэродинамические эффекты зданий.

Поврежденные ветряные турбины из-за урагана Мария

Ветротехника — это раздел машиностроения , строительного проектирования , метеорологии и прикладной физики , который анализирует воздействие ветра на естественную и искусственную среду и изучает возможный ущерб, неудобства или выгоды, которые могут возникнуть в результате ветра. В области машиностроения это включает в себя сильные ветры, которые могут вызвать дискомфорт, а также экстремальные ветры, такие как торнадо , ураган или сильный шторм , которые могут вызвать масштабные разрушения. В области ветроэнергетики и загрязнения воздуха сюда также входят слабые и умеренные ветры, поскольку они имеют отношение к производству электроэнергии и рассеиванию загрязняющих веществ.

Ветротехника опирается на метеорологию , гидродинамику , механику , географические информационные системы и ряд специальных инженерных дисциплин, включая аэродинамику и структурную динамику . ^[1] Используемые инструменты включают модели атмосферы , аэродинамические трубы пограничного слоя атмосферы и модели вычислительной гидродинамики .

Ветротехника включает, среди прочего:

• Воздействие ветра на конструкции (здания, мосты, башни)
• Ветровой комфорт возле зданий
• Влияние ветра на систему вентиляции в здании
• Ветровой климат для ветроэнергетики
• Загрязнение воздуха возле зданий

Инженеры-строители могут рассматривать ветротехнику как тесно связанную с землетрясением и взрывозащитой .

Некоторые спортивные стадионы, такие как «Кэндлстик Парк» и «Артур Эш», известны своим сильным, иногда порывистым ветром, который влияет на условия игры.

История

Ветротехника как отдельная дисциплина зародилась в Великобритании в 1960-х годах, когда неформальные встречи проводились в Национальной физической лаборатории , Исследовательском институте строительства и в других местах. Термин «ветротехника» впервые был придуман в 1970 году. ^[2] Алан Гарнетт Дэвенпорт был одним из наиболее выдающихся вкладчиков в развитие ветротехники. ^[3] Он хорошо известен разработкой цепи ветровой нагрузки Алана Дэвенпорта или, сокращенно, «цепи ветровой нагрузки», которая описывает, как различные компоненты способствуют окончательной нагрузке, рассчитанной на конструкцию. ^[4]

Ветровые нагрузки на здания

Модель аэродинамической трубы площади одного почтового отделения, Бостон

Проектирование зданий должно учитывать ветровые нагрузки, на которые влияет сдвиг ветра . В инженерных целях степенной профиль скорости ветра можно определить как: ^{[5] [6]}

${\displaystyle \ v_{z}=v_{g}\cdot \left({\frac {z}{z_{g}}}\right)^{\frac {1}{\alpha }},0<z<z_{g}}$

где:

${\displaystyle \ v_{z}}$= скорость ветра на высоте ${\displaystyle \ z}$

${\displaystyle \ v_{g}}$= градиентный ветер на высоте градиента ${\displaystyle \ z_{g}}$

${\displaystyle \ \alpha }$= экспоненциальный коэффициент

Обычно здания проектируются так, чтобы противостоять сильному ветру с очень длительным периодом повторяемости, например 50 лет и более. Расчетная скорость ветра определяется на основе исторических данных с использованием теории экстремальных значений для прогнозирования будущих экстремальных скоростей ветра. Скорость ветра обычно рассчитывается на основе некоторых региональных стандартов или стандартов проектирования. Нормы проектирования зданий для ветровых нагрузок включают в себя:

• AS 1170.2 для Австралии
• EN 1991-1-4 для Европы
• NBC для Канады

Ветровой комфорт

Ветровые перегородки устанавливаются для уменьшения опасности ветра на небоскребе Bridgewater Place в Лидсе, Великобритания.

Компьютерное моделирование воздушного потока в ангаре с подветренной стороны, вызвавшего повреждение рейса 9363 компании Ameristar Charters.

Появление высотных многоэтажек вызвало опасения по поводу воздействия ветра, причиняемого этими зданиями пешеходам, находящимся поблизости.

С 1971 года был разработан ряд критериев ветрового комфорта и ветровой опасности на основе различных видов пешеходной активности, таких как: ^[7]

• Сидеть в течение длительного периода времени
• Сидеть в течение короткого периода времени
• Прогулка
• Быстрая ходьба

Другие критерии классифицировали ветровую среду как совершенно неприемлемую или опасную.

Геометрия зданий, состоящая из одного и двух прямоугольных зданий, имеет ряд хорошо известных эффектов: ^{[8] [9]}

• Угловые струи, также известные как угловые струи, по углам зданий.
• Сквозной поток, также известный как проходная струя, в любом проходе через здание или небольшом зазоре между двумя зданиями из-за короткого замыкания давления.
• Вихревые потоки за зданиями

Для более сложной геометрии необходимы исследования ветрового комфорта пешеходов. Они могут использовать модель соответствующего масштаба в аэродинамической трубе с пограничным слоем или, в последнее время, увеличилось использование методов вычислительной гидродинамики . ^[10] Скорость ветра на уровне пешеходов для заданной вероятности превышения рассчитывается с учетом региональной статистики скорости ветра. ^[11]

Вертикальный профиль ветра, используемый в этих исследованиях, варьируется в зависимости от местности вблизи зданий (которая может различаться в зависимости от направления ветра) и часто группируется по категориям, например: ^[12]

• Открытая открытая местность с небольшим количеством препятствий или без них и водными поверхностями при эксплуатационной скорости ветра.
• Водные поверхности, открытая местность, луга с небольшим количеством хорошо разбросанных препятствий высотой обычно от 1,5 до 10 м.
• Местность с многочисленными близко расположенными препятствиями высотой от 3 до 5 м, например участки загородной застройки.
• Местность с многочисленными крупными, высокими (от 10 до 30 м) и близко расположенными препятствиями, такими как крупные городские центры и развитые промышленные комплексы.

Ветряные турбины

На ветряные турбины влияет сдвиг ветра. Вертикальные профили скорости ветра приводят к разным скоростям ветра на лопастях, ближайших к уровню земли, по сравнению с теми, которые находятся в верхней части хода лопастей, а это, в свою очередь, влияет на работу турбины. ^[13] Градиент ветра может создать большой изгибающий момент в валу двухлопастной турбины, когда лопасти расположены вертикально. ^[14] Уменьшенный градиент ветра над водой означает, что в мелководных морях можно использовать более короткие и менее дорогие башни ветряных турбин. ^[15]

В ветроэнергетике изменение скорости ветра с высотой часто аппроксимируется степенным законом: ^[13]

${\displaystyle \ v_{w}(h)=v_{ref}\cdot \left({\frac {h}{h_{ref}}}\right)^{a}}$

где:

${\displaystyle \ v_{w}(h)}$= скорость ветра на высоте [м/с] ${\displaystyle h}$

${\displaystyle \ v_{ref}}$= скорость ветра на некоторой базовой высоте [м/с] ${\displaystyle h_{ref}}$

${\displaystyle \ a}$= показатель Хеллмана (также известный как показатель степенного закона или показатель сдвига) (~ = 1/7 в нейтральном потоке, но может быть> 1)

Значение

Знания в области ветротехники используются для анализа и проектирования всех высотных зданий, вантовых и вантовых мостов , башен электропередачи и телекоммуникационных башен , а также всех других типов башен и дымоходов. Ветровая нагрузка является доминирующей нагрузкой при расчете многих высотных зданий, поэтому ветротехника имеет важное значение для их анализа и проектирования. Опять же, ветровая нагрузка является доминирующей нагрузкой при расчете и проектировании всех вантовых мостов с большими пролетами .

Смотрите также

• Ураганная инженерия
• Джон Твиделл
• Контроль вибрации
• Испытания в аэродинамической трубе
• Всемирная ассоциация ветроэнергетики
• Демпфирование
• Алан Дж. Давенпорт

Рекомендации

1. Хьюитт, Сэм; Маргеттс, Ли; Ревелл, Алистер (18 апреля 2017 г.). «Строительство цифровой ветряной электростанции». Архив вычислительных методов в технике . 25 (4): 879–899. doi : 10.1007/s11831-017-9222-7. ISSN  1134-3060. ПМК  6209038 . ПМИД  30443152.
2. Кокран, Лейтон; Дериксон, Расс (апрель 2011 г.). «Взгляд разработчика физического моделирования на вычислительную ветротехнику». Журнал ветротехники и промышленной аэродинамики . 99 (4): 139–153. дои : 10.1016/j.jweia.2011.01.015.
3. Солари, Джованни (2019). Наука и техника ветра: истоки, развитие, основы и достижения . Спрингерские трактаты в гражданском строительстве. Чам: Международное издательство Springer. дои : 10.1007/978-3-030-18815-3. ISBN 978-3-030-18814-6.
4. Исюмов, Николай (май 2012 г.). «Знак Алана Г. Давенпорта в ветротехнике». Журнал ветротехники и промышленной аэродинамики . 104–106: 12–24. дои : 10.1016/j.jweia.2012.02.007.
5. Кроули, Стэнли (1993). Стальные здания . Нью-Йорк: Уайли. п. 272. ИСБН 978-0-471-84298-9.
6. Гупта, Аджая Кумар и Питер Джеймс Мосс (1993). Рекомендации по проектированию малоэтажных зданий, подверженных действию боковых сил. Бока-Ратон: CRC Press. п. 49. ИСБН 978-0-8493-8969-6.
7. Ветровой комфорт пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветрового комфорта. Таблица 3
8. Ветровой комфорт пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветрового комфорта. Рисунок 6
9. Воздействие ветра на пешеходов. Рисунок 3
10. Рекомендации AIJ по практическому применению CFD для пешеходной ветровой среды вокруг зданий.
11. Пешеходная ветровая среда вокруг зданий. стр.112
12. AS/NZS 1170.2:2011 Действия по проектированию конструкций. Часть 2. Воздействие ветра. Раздел 4.2
13. Хейер, Зигфрид (2005). Сетевая интеграция систем преобразования энергии ветра . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 45. ИСБН 978-0-470-86899-7.
14. Харрисон, Роберт (2001). Большие ветряные турбины . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 30. ISBN 978-0-471-49456-0.
15. Любосный, Збигнев (2003). Работа ветровых турбин в электроэнергетических системах: расширенное моделирование . Берлин: Шпрингер. п. 17. ISBN 978-3-540-40340-1.

дальнейшее чтение

• Блокен, Берт (2014). «50 лет вычислительной ветротехники: прошлое, настоящее и будущее». Журнал ветротехники и промышленной аэродинамики . 129 : 69–102. дои : 10.1016/j.jweia.2014.03.008.
• Бейкер, CJ (2007). «Ветротехника — прошлое, настоящее и будущее». Журнал ветротехники и промышленной аэродинамики . 95 (9–11): 843–870. дои : 10.1016/j.jweia.2007.01.011.

Внешние ссылки

• «Как высокие здания укрощают ветер». Б1М . 12 сентября 2018 г. Архивировано из оригинала 15 декабря 2021 г. – на YouTube .