Компьютерное моделирование аэрационного режима жилой застройки с целью проветривания и ветрозащиты

Ветер является одним из ведущих климатических факторов, оказывающих влияние на формирование микроклимата внешней среды и загрязненность атмосферного воздуха. Для целей градостроительства необходимо также учитывать комфортность окружающей среды для человека, которая определяется помимо прочего комфортными скоростями ветра. При низких скоростях ветра и закрытой планировке микрорайона возможен застой воздуха, в результате которого внутри дворовой территории могут скапливаться снег, пыль и мусор, а также загрязненный воздух от выхлопов машин и т. п. При высоких скоростях ветра и открытой застройке возможно усиление ветра внутри дворовой территории, на детских площадках, что может привести к увеличению заболеваемости взрослого и детского населения (переохлаждение, ОРВИ и т. п.). Таким образом, некомфортные скорости ветра могут быть небезопасны для человека [1–5].

Вопрос оценки ветрового воздействия поднимался во многих статьях, многими исследователями. Основными направлениями исследований являются определение аэродинамических характеристик отдельных зданий, в особенности высотных [6–9], определение ветровых нагрузок на такие здания и их конструкции [10–13], аэродинамика комплекса зданий и различной застройки [14–17].

Двумя основными методами исследования являются эксперименты в аэродинамических трубах [18, 19] или численное моделирование в современных программных комплексах [20–22].

Так, например, в статье «Проектирование, строительство и эксплуатация высотных зданий с учетом аэродинамических аспектов» М.К. Михайловой, В.С. Далинчука, А.В. Бушмановой, Л.В. Доброгорской [7] были рассмотрены основные аспекты аэродинамики зданий. Целью исследования было выявление способов распознавания аэродинамической характеристики здания, рассмотрение аэродинамики комплекса зданий, установление основных факторов, оказывающих влияние на формирование и изменение аэродинамической обстановки, а также рассмотрены некоторые виды защиты от ветра на уровне роста человека. Было выявлено, что наиболее эффективным методом определения распределения ветровых потоков является продувание модели здания в аэродинамической трубе.

Ю.В. Миронова и Л.М. Габдрахманова в своей статье «Ветровые воздействия на существующие малоэтажные здания при размещении высотных и многоэтажных зданий в сложившейся застройке» [15] рассматривали влияние максимальных аэродинамических ветровых воздействий на высотные здания и окружающую их застройку, а также определение максимальной ветровой нагрузки в зависимости от высотности здания и расстояния до них.

В статье «Экспериментальное исследование ветровых нагрузок на многофункциональный высотный жилой комплекс» О.И. Поддаевой, Ю.С. Буслаевой, Д.С. Грибач [14] описаны результаты эксперимента в малой аэродинамической трубе, согласно которым были получены коэффициенты давления ветровых нагрузок в зависимости от угла действия ветра.

Цель данного исследования – используя технологии компьютерного моделирования, рассмотреть ветровое воздействие на один из типовых вариантов застройки жилого микрорайона, спроектированного с целью ветрозащиты территории двора, и сравнить полученные данные с имеющимися результатами аналогичных экспериментов в аэродинамической трубе.

Застройка изменяет скорость и направление ветра, господствующего на открытой незастроенной территории, и создает определенный ветровой режим. Приемами архитектурно-планировочной композиции застройки можно добиться благоприятного для человека ветрового режима. В условиях повышенных скоростей ветра оптимальной можно считать скорость ветра, равную 0,1–0,5 от исходной, а в условиях низких скоростей – 0,5–1 от исходной [23].

Согласно гигиеническим исследованиям теплового самочувствия человека при ветре различной силы и в разных климатических условиях скорость ветра выше 5 м/с является неудовлетворительной для человека, а скорости от 0,6 до 2,5 м/с в умеренном климате считаются комфортными. Критериями оценки степени комфортности ветрового режима служат биолого-гигиенические нормативы и коэффициенты скорости ветра К [23]. В ходе исследований входящая скорость ветрового потока задавалась 5 м/с (К = 1).

• 1.    Описание методики проведения исследования и исходные данные

Объектом исследования являлось обтекание ветровым потоком архитектурно-планировочной композиции жилой застройки, состоящей из 5 зданий высотой в 5 этажей (H = 15 м), параллельных друг другу. Ширина зданий В принята равной 12 м. Здания отстоят друг от друга на расстоянии, равном высоте 1H и смещены в перпендикулярном направлении на 1/3 длины здания L (L = 36 м). Схема расположения зданий, их размеры и преобладающее направление ветра показаны на рис. 1.

Расчеты проводились в современном программном комплексе ANSYS, который предназначен для структурного анализа сложных конструкций, испытывающих комплексное нагружение: механическое, тепловое, гидродинамическое и электромагнитное. В гидродинамическом модуле FLOTRAN решаются уравнения Навье–Стокса для ламинарных режимов течения и уравнения Рейнольдса для турбулентных режимов. Для численного интегрирования дифференциальных уравнений в частных производных используется метод конечных элементов [4].

Для того чтобы задать расчетную область вокруг группы зданий, необходимо определить характерный размер модели Lmax (наибольший из размеров). В нашем случае Lmax = 120 м – это расстояние между наветренным фасадом первого здания и подветренным фасадом пятого здания (рис. 2).

Создание сетки конечных элементов производилось во встроенном модуле ANSYS Meshing, позволяющем получить сетку различных конфигураций. Для данной задачи создана тетраэдальная сетка с минимальным размером элементов – 1 м и максимальным размером элементов – 15 м. Для корректности расчетов около зданий создавалась область сгущения сетки (максимальный размер элемента – 2,5 м) с помощью инструмента Face Sizing и встроенной функции Proximity and Curvature (рис. 3).

Рис. 1. Схема исследуемой композиции зданий

Рис. 2. Схема расчетной области

а)

б)

Рис. 3. Сетка конечных элементов: а – общий вид, б – вблизи зданий

Задавались следующие расчетные параметры среды (модель и граничные условия):

• •    модель течения воздуха без теплоперено-са, для моделирования турбулентного течения – модель «k–ε»;

• •    скорость ветрового потока 5 м/с на входной границе в расчетную область;

• •    нулевое осредненное по всей области выхода относительное статическое давление;

• •    на боковых границах трубы заданы условия непротекания:   составляющая скорости

• 2.    Результаты исследования

по нормали к границе равна нулю, вязкое трение отсутствует.

После численного моделирования в программном комплексе Ansys CFX были получены линии тока ветра (рис. 4), поле давлений (рис. 5) и характеристика ветрового режима застройки на высоте роста человека – 2 м (рис. 6).

Как видно на рис. 4, ветер, встречая на своём пути здание № 1 (здесь и далее нумерация

Рис. 4. Трансформация воздушного потока, обтекающего застройку из 5 домов. Линии тока ветра

Рис. 5. Поле давлений на высоте роста человека – 2 м

Рис. 6. Характеристика ветрового режима застройки на высоте роста человека (2 м). Изолинии скорости ветра: 1 – 0,5 м/с (К = 0,1); 2 – 1,25 м/с (К = 0,25); 3 – 2,5 м/с (К = 0,5);

4 – 3,75 м /с (К = 0,75); 5 – 5 м/с (К = 1); 6 – 6,25 м/с (К = 1,25)

зданий принята в соответствии со схемой на рис. 1), раздваивается, обтекая его. Из-за возникающего отсоса воздуха за зданием и столкновением со следующими зданиями ветровой поток меняет своё направление на 90 градусов и втягивается между зданиями. При этом струи ветра, обтекающие торцы зданий, срываясь создают «отсос» воздуха у подветренных углов зданий и формируют компенсационные потоки воздуха, составляющие вихревой след за зданиями у нижней кромки.

Аналогично у северного торца второго и пятого зданий формируется вихревой след. Подобные вихревые следы в ветровой тени зданий составляют зону относительного затишья (скорости ветра в них минимальны по сравнению с набегающим потоком), в которой будут собираться снег и пыль со всей площади ветровой тени, а также взвешенные частицы, принесенные потоком огибающих струй. Также стоит отметить, что срыв ветра может быть опасен для нахождения людей, так как скорость ветра перед срывом максимальна по сравнению с набегающим потоком.

На рис. 6 показаны изолинии скорости ветра, взятые с шагом в 0,25 от заданной скорости ветра набегающего потока воздуха, равной 5 м/с. Большая часть ветровой тени участка находится в диапазоне скоростей 1,25–3,75 м/с, средний коэффициент скорости ветра К = 0,4-0,5. Полученные значения соответствуют экспериментальным данным, полученным в аэродинамической трубе для данной модели застройки микрорайона, приведенным в Руководстве по оценке и регулированию ветрового режима жилой застройки [23].

В качестве критерия эффективности планировочного решения в аспекте аэрации принимают отношение между площадью территории с благоприятным ветровым режимом ко всей территории микрорайона. По данным расчета площадь ветрового затенения составила 78 % от площади исследуемого участка, что составляет больше 65-70 %, а значит данная композиция зданий является эффективной.

При этом стоит отметить неблагоприятные моменты: наблюдается усиление скорости ветра (К = 0,75-1,25) у наветренного фасада ветрозащитного здания (см. рис. 1, номер 1), а также в разрывах между зданиями. Для снижения ветрового напора в данных зонах будет целесообразным использовать древесно-кустарниковые группы или полосы озеленения перед зданием.

Выводы

• 1.    Рассмотренная в исследовании композиция зданий достаточно эффективно снижает скорость ветра, создавая ветровую тень за зданиями. Площадь ветрового затенения составила 78 %, что говорит об эффективности подобной планировки с точки зрения ветрозащиты внутридворовой территории.

• 2.    Средний коэффициент скорости ветра К в ветровой тени здания составляет 0,4–0,5, что соотносится с результатами аналогичных экспе-

• риментов, производившихся в аэродинамической трубе.

• 3.    Полученная методика расчета аэродинамических характеристик жилой застройки с помощью компьютерного моделирования в пакете ANSYS CFX может применяться для дальнейших исследований обтекания ветровым потоком подобных планировок, дает возможность решать вопросы проветривания и ветрозащиты территорий, а также комфортности и безопасности людей в жилой застройке.