1. Введение
Направление ветра имеет решающее значение в моделировании с помощью вычислительной гидродинамики (CFD), а также в расчете конструкций зданий, мостов, транспортных средств и других объектов, подверженных действию аэродинамических сил. Когда инженеры и проектировщики работают над созданием конструкции, для обеспечения устойчивости, безопасности и производительности необходимо понимать влияние направления ветра (рисунок 1).
В моделировании CFD направление ветра определяет то, как воздух обтекает конструкцию, влияя на распределение давления, сопротивление, подъемную силу и другие аэродинамические силы. Моделирование конструкций позволяет проектировщикам предсказать, как изменения направления ветра могут привести к различным реакциям конструкции, влияя на ее устойчивость при различных ветровых условиях. Например, форма здания может быть оптимизирована для минимизации ветровых нагрузок в обычных ветровых условиях, а мост может быть спроектирован так, чтобы избежать резонанса с преобладающими ветрами.
С точки зрения проектирования конструкций, при определении траекторий нагрузок и требований к прочности различных конструктивных элементов решающее значение имеет влияние направления ветра. Конструкции часто проектируются таким образом, чтобы они были стойкими к наиболее серьезным ветровым нагрузкам, ожидаемых в течение их срока службы. Это включает в себя анализ преобладающих моделей ветра, включая направление, скорость и частоту, для определения ориентации, формы и армирования конструкции.
Кроме того, направление ветра может влиять на вентиляцию, эффективность использования энергии и даже на уровень комфорта внутри здания, влияя на архитектурные аспекты проектирования конструкций. В некоторых случаях это может также повлиять на эрозию грунта вокруг конструкции, влияя на ее основание и устойчивость. Вот некоторые ключевые эффекты направления ветра при моделировании ветра:
2. Моделирование CFD
- Аэродинамический расчет: CFD моделирование позволяет рассчитывать воздушные потоки вокруг различных конструкций. Изменение направления ветра потом повлияет на распределение давления вокруг здания или конструкции.
- Моделирование турбулентности. Различные направления ветра могут вызывать различные эффекты турбулентности, которые можно легко изучить и смоделировать с помощью CFD.
- Область следа: область следа, которая представляет собой область нарушенного потока за конструкцией, может быть очень чувствительна к направлению ветра. Это имеет важное значение для конструкций, расположенных ниже по течению, или для проектирования блоков зданий, где необходимо учитывать воздушный поток между конструкциями.
- Вентиляция и качество воздуха. Направление ветра влияет на естественную вентиляцию и рассеивание загружения вокруг зданий, и CFD может помочь в анализе этих эффектов.
- {}Проверка и регулировка: Для того, чтобы моделирование CFD было эффективным, оно должно быть проверено и откалибровано с помощью реальных измерений. Понимание преобладающих направлений ветра имеет решающее значение в данном процессе.
3. Расчет конструкций
- Расчет нагрузки: направление ветра влияет на ветровую нагрузку на конструкции. Инженеры должны учитывать наихудшие сценарии, включающие различные направления ветра, чтобы гарантировать, что конструкции могут выдерживать максимально возможные нагрузки.
- Динамическая реакция: конструкции по-разному реагируют на ветровые нагрузки, действующие с разных направлений, что влияет на их динамическую реакцию. Понимание этих реакций имеет решающее значение для проектирования устойчивых конструкций.
- Вихревообразование: в зависимости от направления ветра может возникать вихреобразование, вызывающее колебания в конструкциях, особенно в тонких, таких как дымовые трубы и башни.
- Аэроупругие явления: в конструкциях, таких как мосты, направление ветра может привести к аэроупругим явлениям, таким как флаттер, которые могут быть катастрофическими, если их не смягчить во время расчета.
4. Взаимодействие направления ветра, CFD и расчета конструкций
- Междисциплинарный подход: архитекторы, инженеры-строители и CFD аналитики часто сотрудничают, используя результаты CFD для обоснования проектных решений.
- Оптимизация проектирования: CFD моделирование может помочь в оптимизации формы и ориентации зданий для минимизации ветровых нагрузок и улучшения аэродинамических характеристик.
- Расчет фасада: информация о направлении ветра и распределении давления используется для проектирования фасада, который может выдерживать различные ветровые нагрузки.
- Нормальный комфорт пешеходов.
5. Анализ характерных случаев
Например, была выбрана простая форма здания (рисунок 2), чтобы оценить влияние на него направления ветра. Значения Fd,Fx,Fy,Fz относятся к общим силам сопротивления, силе в направлении x, силе в направлении y и силе в направлении z, а также Cp,max,pos и Cp,min,neg относительно максимального положительного давления ветра и минимального давления ветра (рисунок 3 и таблица 1).
| Направления ветра (θ) | Fd (кН) | Fx (кН) | Fy (кН) | Fz (кН) | Cp,max,pos | Cp,min,neg |
| θ=0 | 199,39 | 195,12 | -14.43 | 38,40 | 0,97 | -1.29 |
| θ=15 | 184,28 | 180,34 | 10,88 | 36,30 | 0,97 | -2.07 |
| θ=30 | 236,40 | 230,56 | -33,69 | 39,91 | 0,99 | -4.39 |
| θ=45 | 240,63 | 237,00 | 0,912 | 41,63 | 1,00 | -3.84 |
| θ=60 | 236,71 | 230,62 | 35,72 | 39,62 | 0,99 | -4.48 |
| θ=75 | 178,40 | 172,40 | -28,80 | 35,74 | 0,98 | -1.99 |
6. Заключение
Направление ветра является важным компонентом в расчете и проектировании конструкций. С помощью CFD моделирования инженеры могут предсказать и смягчить воздействие ветра, адаптируя свои конструкции так, чтобы они были устойчивы к нестабильному характеру ветровых шаблонов. По мере того, как мы раздвигаем границы в архитектуре и инженерии, согласование конструкции с направлением ветра с помощью расширенного моделирования становится подтверждением нашего растущего мастерства в области сил, которые формируют нашу застроенную среду. В данном примере мы показали, что угол 45 является наиболее критическим сценарием, связанным с силами сопротивления.
Воздействие направления ветра не ограничивается только внешним давлением; это также влияет на аэродинамические свойства, включая потенциальное вихреобразование и области следа, которые могут вызвать колебательные нагрузки. Эти динамические эффекты необходимо досконально понять, чтобы обеспечить конструктивную целостность и пригодность к эксплуатации зданий, мостов и других объектов инфраструктуры. Таким образом, включив в моделирование CFD изменчивость направления ветра, инженеры могут предсказать возможные сценарии, с которыми конструкция может столкнуться на протяжении своего срока службы. Это позволяет создавать более прочные и эффективные конструкции, способные противостоять капительному характеру ветра, обеспечивая безопасность, производительность и долговечность.
