Современные аэродинамические проблемы в архитектуре и строительстве

В последнее время в городе Ош наблюдается устойчивый рост городского населения. В связи с этим возникают экономические, социальные, экологические, градостроительные и другие проблемы, как для города, так и для самих жителей, которые необходимо решить. И на первый план в данном случае выходит проблема быстрого роста городских территорий. Рациональное использование городского пространства заставляет архитекторов, дизайнеров и строителей искать новые форматы в сфере решения этой задачи. Как правило, это приводит к застройке высотными зданиями и комплексами, а также к увеличению плотности застройки, что ведет к ухудшению экологической ситуации как в черте новостройки, так и в городе в целом.

Влияние природно-климатических условий на формирование урбанистической застройки – проблема не новая. Ветровой режим территории города является одним из важнейших факторов, который необходимо учитывать при строительстве. История градостроительства дает многочисленные примеры решения проблем разными странами. На данный момент наибольший интерес представляют попытки учета ветровых условий как биоклиматического формирования жилой застройки. А также в Оше и в Кыргызстане целом часто наблюдаются землетрясения. Специфика климатических условий и, в частности, ветровой режим до сих пор учитываются только при разработке отдельных проектов, в основном экспериментальных. Отсутствует дифференцированный подход к планированию и застройке городов, расположенных в разных ветровых условиях, и городских территорий в единой городской системе.

Одной из первых группа ученых под руководством А. Мочиды начала заниматься с численным моделированием задач построения аэродинамики в Японии на базе Архитектурного института. Позже в 2007 г. группа европейских специалистов под руководством Дж. Франке и Б. Блокена также начали работы по численному моделированию этих задач [1]. О.И. Подадаева и И.В. Дуничкен описали в своей работе методику численного моделирования ветрового воздействия на высотные здания [2].

В Кыргызстане обязательных критериев по соблюдению режимов аэродинамических факторов нет, есть только рекомендации. Единственным действующим в мире документом для оценки ветрового комфорта в городских районах является национальный стандарт Нидерландов (NEN 8100) [3]. Критерии основаны на неудобном пороге скорости ветра 5 м/с.

Здания влияют на поток ветра и меняют его направление и скорость. Снижается способность рассеивать и выводить загрязняющие вещества за пределы здания, образуются застойные зоны. Увеличение скорости ветра снижает уровень комфорта пребывания человека в городе.

Традиционным методом оценки ветровой аэродинамики вблизи сложных строительных конструкций является экспериментальное исследование в аэродинамической трубе. Другим подходом к решению этой задачи является компьютерное моделирование течения воздуха на основе решения уравнений газовой динамики. В данной работе мы попытались выявить основные проблемы высотной застройки города и проанализировать меры по их решению.

Математический подход

В качестве математической модели для описания процессов обтекания зданий воздухом принята модель несжимаемой газовой динамики, включающая уравнения закона сохранения массы и импульса:

7 • (pv) = 0                            (1)

p(v7) =-7p + r(^ + ^) + F    (2)

где, p - давление, v - вектор скорости, F - вектор силы, ^ - тензор вязких напряжений и — - тензор напряжений Рейнольдса:

Ту ^(^г + тг}

⁴       dx j dx i

dv    dV j    2

Тч = р^+—)--^чрк

где v i – компоненты вектора скорости, µ – вязкость, µ t – турбулентная вязкость, k – турбулентная кинетическая энергия. Для замыкания уравнений используем модель турбулентности k-ω SST. Дискретизация уравнений закона сохранения в расчетной области осуществляется методом контрольного объема.

Приведенная выше математическая модель была проверена с помощью натурного эксперимента в институте механики МГУ. Одним из типовых объектов, рассматриваемых в промышленной аэродинамике, является прямоугольная призма. Жилые здания и сооружения очень часто имеют форму прямоугольной призмы (рис. 1,2) с различным соотношением сторон по горизонтали. В литературе имеются справочные данные по ветровым нагрузкам на эти формообразующие тела, но отсутствуют количественные и качественные критерии воздухообмена и продувки городских территорий.

Рис. 1. Строительство домов в городе Ош до 2015 года

Рис. 2. Комплекс новых зданий в городе Ош

Аэродинамические характеристики зданий. С аэродинамической точки зрения высотные здания представляют собой типичные обрывистые объекты среднего относительного удлинения. На рис. 3 схематично показана картина течения вблизи одной из таких структур. Средняя скорость ветра U(z) в приземном слое толщиной более 300 метров увеличивается с высотой z над приземным слоем ниже. Течение с подветренной стороны здания характеризуется нисходящим потоком в нижней части фасада со значительным падением давления с подветренной стороны. Зоны рециркуляции с подветренной и боковой сторон здания сильно изменяются во времени, создавая дополнительные динамические нагрузки на ограждающие конструкции.

Давление на поверхности здания выражают в безразмерном виде через аэродинамический коэффициент давления С р :

r    P-Po p  O^pU^

где, p – плотность воздуха, кг/м²; p 0 – атмосферное давление, Па; p – давление в точке на поверхности здания, Па; U 0 – характерная скорость потока «на бесконечности» вне области распространения возмущений, связанных с обтеканием здания, м/с. В ряде случаев в качестве характерной для всего здания берется скорость невозмущенного ветрового потока на максимальной высоте здания, т.е. принимается U 0 =U(H) .

Следует подчеркнуть, что само по себе числовое значение аэродинамического коэффициента Ср без указания способа определения U0 не позволяет судить о действительном ветровом воздействии. При определении U0 нужно всегда указывать дополнительные условия. Изменение скорости ветра по высоте в приземном пограничном слое означает, что набегающий ветровой поток изначально является завихренным, поэтому даже в простейшем U p + 1 pU2 = const,            (6)

где p – давление; U – модуль скорости потока; p - плотность жидкости, надо учитывать, что правая часть является константой только вдоль линий тока, а не во всем пространстве. Представление этой константы в виде:

P+ 1 P^{u 2} =P o ⁺ 1 P^U o ,           ⁽⁷⁾

Рис. 3. Схема обтекания ветровым потоком высотного здания

Следующее преобразование (5) с использованием (7) дает нам выражение:

_{c =} O,5p(U o ² — U² _{= ±}_(U ²

p      0,5p U0           Uu0  ’ оставляет открытым вопрос о дополнительном определении высоты z=z0, с которой пришла линия тока в рассматриваемую точку, и соответственно о величине U0=U(z0) в выражениях (5), (8) для Ср.

Методы, используемые для расчетов нагрузок при проектировании зданий, можно разбить на три основных класса: приближенные инженерные методики расчета, методы экспериментального моделирования и методы численного моделирования. Каждый из этих методов обладает как преимуществами, так и недостатками, поэтому целесообразно использовать их сочетание.

Анализ некоторых результатов аэродинамических исследований

В Европе каждое проектируемое высотное здание моделируется и вдувается в аэродинамическую трубу. В Кыргызстане это только рекомендации, и не все клиенты делают эти анализы. В то же время исследования, проведенные учеными, показывают, что при строительстве высотных зданий наблюдаются совершенно нестандартные аэродинамические явления, связанные с турбулентностью. Поскольку до сих пор турбулентность описывалась как открытая система уравнений, численные методы не могут полностью описать и предсказать такие явления.

Для прямоугольных в плане зданий значение C p , как правило, не превышает 2,5. Если здание имеет круглые контуры и сечения с круглыми или эллиптическими контурами, значение C p может достигать значения 5,5÷6,0 при определенных углах набегающего воздушного потока. Значение C p также важно при выборе расположения приточных и вытяжных отверстий системы вентиляции здания на поверхности здания.

Некоторые варианты компоновки комплексов зданий, содержащих высотные здания, могут привести к недопустимо высоким скоростям ветра на уровне пешеходов (1,5 ÷ 2 м над уровнем земли) в пешеходных зонах, примыкающих к жилым домам.

Заключение

При проектировании системы вентиляции особое внимание следует уделить расположению заборных и вытяжных патрубков на поверхностях здания. Нельзя допускать расположение этих проемов в пределах одной зоны разделения кровли или боковых поверхностей зданий.

Это ключевой момент при проектировании высотных зданий. Есть и другие узкие места. Например, мы вообще не рассчитываем аэродинамическое воздействие на окна, а ветровая нагрузка на верхние этажи многоэтажки может привести к тому, что при сильном ветре могут просто вылететь стекла.