Аэродинамика плохообтекаемых призматических тел в условиях интерференции

Телкова, Юлия Владимировна

Аэродинамика плохообтекаемых призматических тел в условиях интерференции тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.05 ВАК РФ

Телкова, Юлия Владимировна АВТОР

кандидата технических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Новосибирск МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.02.05 КОД ВАК РФ

Диссертация по механике на тему «Аэродинамика плохообтекаемых призматических тел в условиях интерференции»

Автореферат диссертации на тему "Аэродинамика плохообтекаемых призматических тел в условиях интерференции"

На правах рукописи

Телкова Юлия Владимировна

АЭРОДИНАМИКА ПЛОХООБТЕКАЕМЫХ ПРИЗМАТИЧЕСКИХ ТЕЛ В УСЛОВИЯХ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ЯН5 20:2

Новосибирск - 2012

005009716

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Новосибирский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Саленко Сергей Дмитриевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук

Занин Борис Юрьевич

кандидат технических наук,

доцент Петошин Виктор Иванович

Ведущая организация: Институт механики МГУ им. М.В. Ломоносова

Защита состоится « 17 » февраля в « 9°° » часов на заседании диссертационного совета Д003.035.02 в Институте теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН (630090, г. Новосибирск, ул. Институтская 4/1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу: 630090, Новосибирск-90, ул. Институтская 4/1, ИТПМ СО РАН, ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан « 43 » января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

44 Засыпкин И.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Уплотнение городских застроек и ведение строительства в несколько этапов приводит к тому, что многие сооружения оказываются в условиях аэроди-нам:г'сгкой интерференции. При этом происходит изменение структуры потока в окрестности строений, возникновение непредсказуемых распределений давлений на их поверхностях и нестационарных аэродинамических сил, приводящих к аэроупругим колебаниям конструкций. В частности, при аэродинамических исследованиях на кафедре аэрогидродинамики НГТУ в 2001 году моста через р. Иртыш в г. Омске, возводимого в две очереди, было установлено следующее. При надвижке пролетного сооружения второй очереди на характер и интенсивность ее колебаний оказывал влияние уже построенный пролет первой очереди моста. При этом наблюдался не только «классический» бафтинг при расположении монтируемого строения в следе построенного, но и усиление колебаний при противоположном направлении ветра. Для понимания структуры течения в окрестности близко расположенных сооружений (например, мостов или высотных зданий) необходимы подробные многосторонние исследования аэродинамических характеристик типичных форм строительных конструкций, а именно квадратных и прямоугольных призм, в условиях интерференции.

Проведенный анализ отечественных и зарубежных литературных источников показал, что в основном научные работы посвящены изучению аэродинамических характеристик и аэроупругой неустойчивости одиночных цилиндров с различными поперечными сечениями. Аналогичные исследования пло-хообтекаемых тел в условиях аэродинамической интерференции в большом объеме имеются только для круговых цилиндров. В то же время, для двух квадратных или прямоугольных призм данные о структурах потока, нестационарных характеристиках течения в их окрестности и аэроупругой неустойчивости в литературных источниках представлены в ограниченном количестве. Учитывая широкое применение в строительной отрасли элементов конструкций, близких по форме к призме, было решено провести детальные исследования нестационарного обтекания подобных тел, а также их аэроупругой неустойчивости в условиях интерференции.

Цель работы - экспериментальное исследование нестационарных характеристик течения в окрестности двух плохообтекаемых призматических тел в условиях интерференции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Визуализировать структуры течения в окрестности двух плохообтекаемых призматических тел.

2. Провести термоанемометрическое зондирование аэродинамического следа, возникающего позади двух плохообтекаемых тел.

3. Исследовать характер и интенсивность аэроупругих колебаний плохообтекаемых призматических тел в условиях интерференции.

Достоверность полученных результатов обеспечена их повторяемостью во время исследований, проведенных в разное время, оценкой погрешности измерений и согласованием с опубликованными ранее данными о характеристиках подобных течений.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования влияния относительных продольных (5/Я= 0...10) и поперечных (С/Я= 0...10) расстояний между квадратными призмами на структуру течения в их окрестности, на основании которых установлена многовариантность реализующихся типов структур обтекания при М«1,11с ~ 0,3х104 и а = 0°.

2. Данные исследований в однородном малотурбулентном потоке при М«1, 11е = 0,Зх105...0,4х105 и а = 0° по влиянию относительных расстояний между квадратными призмами на числа Струхаля для пульсаци-онных составляющих скорости в аэродинамическом следе.

3. Результаты о существовании нескольких типов вихревых структур, а также бистабильности течения, полученные в процессе визуализации обтекания большого числа конфигураций, состоящих из двух прямоугольных призм с относительной шириной сечений по потоку ЫН = 2/3 (где Ъ - ширина поперечных сечений, Н - высота сечений), одна их которых совершала колебания поперек потока, а другая была установлена неподвижно при М«1, Ле ~ 4,2х103 и а = 0°.

4. Данные экспериментального исследования аэроупругих колебаний прямоугольной призмы (Ь/Н = 2/3) в присутствии такой же неподвижной призмы, а также результаты о новых видах аэроупругой неустойчивости, обусловленной аэродинамической интерференцией призм при М«1, Ые= 1,2хЮ4...1,Зх105иа = 0°.

5. Результаты исследований моделей двух высотных зданий в г. Красноярске и динамически подобных моделей двух пролетных строений мостов через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр, а также аэродинамические устройства для гашения колебаний этих сооружений.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Установлено существование семи типов вихревых структур в окрестности двух квадратных призм при Яе ~ 0,3x104, а = 0° и пяти типов вихревых структур в окрестности двух прямоугольных {ЫН = 2/3) призм при Яе ~ 4,2хЮ3, а = 0° в условиях интерференции при изменении относительных продольных и поперечных расстояний между ними в широких диапазонах (5/Я = 0...10, в/Н = 0...10 и Х/Н = 0...12, Ш=0...5,5 для квадратных и прямоугольных призм соответственно).

2. Получены границы существования бистабильности и перемежаемости течения в окрестности двух плохообтекаемых тел при изменении их взаимного положения (для призм с b/H=1 : S/H= 2,5, G/H= 0,1... 10; для призм cb/H = 2/3:X/H=2...2,5, Y/H= 0).

3. Выявлены характерные виды колебаний для призматического тела (Ь/Н = 2/3) в условиях его интерференции с телом такой же формы, и впервые получена классификация этих видов колебаний в зависимости от взаимного расположения тел друг относительно друга (Х/Н=0..Л; Y/H = 0...5) в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Re= 1,2хЮ4..Л,Зх105иа = 0°).

4. Впервые получены области изолиний амплитуд колебаний модели призмы прямоугольного сечения (Ь/Н = 2/3) при расположении в ее окрестности неподвижной призмы таких же размеров.

Практическая ценность работы:

1. При сопоставлении результатов визуализации и термоанемометрических исследований двух неподвижных призм с квадратными поперечными сечениями в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Re = 0,Зх105...0,4х105, а = 0°), получены характерные структуры обтекания и зависимости чисел Струхаля для пульсаций скорости от относительных расстояний между ними (S/H = 0... 10 и GIH = 0.. .10).

2. Получены характерные структуры течения в окрестности колеблющейся призмы с прямоугольным поперечным сечением (Ь/Н = 2/3) в однородном малотурбулентном потоке (M«l, Re = 1,2х104...1,3х105, а = 0°) в условиях аэродинамической интерференции для различных режимов аэроупругой неустойчивости.

3. Сист ематизированы данные об интенсивности и характере аэроупругих колебаний прямоугольной призмы (Ь/Н = 2/3) в присутствии такой же неподвижной призмы в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Re= 1,2х104...1,3х105, а = 0°).

4. Выявлены наиболее и наименее опасные с точки зрения возникновения интенсивных аэроупругих колебаний компоновки исследуемых прямоугольных призм. Наиболее опасные соответствовали относительным амплитудам колебаний лтз*/л"™ >1 приЛ7# = 2,5...3,5 YIH= 0...2,5, а наименее опасные - A^f!"™ < 0,4 при XUI = 0,8...2, У/Я = 0,5...2,5 и

Х/Н= 4...6, YIH ~ 0...1, где л",™ - максимальное значение относительной амплитуды колебаний одиночной прямоугольной призмы.

5. Осуществлено внедрение результатов продувок на стадии проектирования жилого комплекса из двух высотных зданий в г. Красноярске и при монтаже пролетных строений мостовых переходов, возведенных через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр.

Личный вклад автора. Диссертант принимал непосредственное участие в постановке задач, проведении экспериментальных исследований в дозвуковой аэродинамической трубе Т-503 и обработке экспериментальных данных. Автором проведен подробный анализ течений в окрестности двух плохообтекае-мых призматических тел в условиях интерференции, а также анализ влияния неподвижного призматического тела на характер и интенсивность колебаний такого же упруго-подвешенного. Представление в диссертации результатов совместных работ согласовано с соавторами.

Реализация результатов работы. Полученные в диссертации результаты использовались при проведении в 2001-2011 годах хоздоговорных НИР, направленных на изучение аэроупругих колебаний пролетных строений мостов и разработку устройств для гашения этих колебаний (мосты через р. Томь в г. Кемерово и р. Обь у пос. Красный Яр), а также направленных на исследование аэродинамических нагрузок на жилой комплекс из двух высотных зданий в г. Красноярске. Имеется два акта о внедрении результатов исследований.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на VI Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (2007 г.), XIV и XV Международных конференциях по методам аэрофизических исследований ICMAR (2008, 2010 гг.), VII...VIII школах-семинарах СибНИА (2009,

2010 гг.), научно-практических конференциях молодых специалистов и учёных «Перспективные технологии самолётостроения в России и мире» (2010,

2011 гг.), а также на XI и XII Всероссийских научно-технических конференциях «Наука. Промышленность. Оборона» (2010, 2011 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них 3 статьи в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 6 - в сборниках научных трудов, 8 - в сборниках трудов Международных и Всероссийских научно-технических конференций, список которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем диссертации. Рукопись диссертации состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 176 страницах основного текста, содержащего 125 рисунков и 3 таблицы, списка литературы (121 наименование) и приложения, в котором представлены акты внедрения результатов работы. 1 1

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана краткая характеристика области исследования, обоснована актуальность темы, сформулированы основные цели работы.

В первой главе выполнен обзор литературы, касающейся нестационарной аэродинамики плохообтекаемых конструкций, в том числе высотных зданий и мостов.

До недавнего прошлого в нашей стране исследование взаимодействия ветра со строительными сооружениями не всегда являлось неотъемлемой частью процесса их создания, хотя в других индустриально-развитых странах все уникальные инженерные сооружения (в том числе высотные здания и большепролетные мосты) проходят обязательную комплексную аэродинамическую экспертизу в специализированных научно-исследовательских центрах.

В последние годы активность работ в России в области промышленной аэродинамики заметно повысилась. Подобные исследования проводятся в ЦАГИ им Н.Е. Жуковского, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, Институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова, СПбГУ, МГСУ, ЦНИИ им. акад. А.Н. Крылова и др. Конкретные строительные объекты разнообразных архитектурных форм экспериментально исследовались с точки зрения структуры потока в окрестности самих конструкций и их элементов, аэродинамических нагрузок, действующих на их поверхности при различных направлениях ветра, а также возникновения и, при необходимости, устранения аэродинамической неустойчивости конструкций.

Математическое моделирование аэродинамики высотных зданий в настоящее время получило достаточно быстрое развитие с появлением мощной компьютерной техники, позволяющей повысить скорость и надежность расчетов. Численное моделирование ветровых воздействий на высотные здания, их комплексы и элементы конструкций, в том числе с учетом взаимного влияния окружающей застройки, проводятся в Институте механики МГУ им. М.В. Ломоносова, Московском архитектурном институте, Московском государственном строительном университете и др. Однако детальную картину обтекания здания с учетом его объемно-пространственной структуры и профиля ветрового потока с помощью современных вычислительных средств в полном объеме получить нельзя.

Такое направление динамики сооружений, как аэродинамика мостов, сформировалось после катастрофы, произошедшей в США в 1940 году с висячим мостом Такома-Нерроуз. До этого случая первостепенным считалось обеспечение статической прочности, при этом аэродинамическая устойчивость мостовых конструкций обеспечивалась совершенно случайно. После этой катастрофы началось систематическое изучение ветровых воздействий на большепролетные мосты и протяженные сооружения, и все чаще стали прибегать к испытаниям моделей мостов в аэродинамических трубах. В нашей стране и в странах ближнего зарубежья широко известны работы ЦАГИ им Н.Е. Жуковского, Днепропетровского национального университета железнодорожного транспорта и др.

Наметившаяся тенденция к широкому применению в мостостроении высокопрочных сталей позволяет снизить металлоемкость и стоимость мостовых конструкций. Однако подобные сооружения с большими пролетами становятся весьма чувствительны к различным динамическим нагрузкам, в результате чего возникает необходимость в исследованиях и разработке разнообразных гасителей колебаний, а также методов их расчета. Причем для каждой конкретной конструкции требуется индивидуальный подход.

Представленный в обзоре анализ основных видов аэроупругой неустойчивости и способов гашения возникающих аэроупругих колебаний показал, что

аэродинамические характеристики призматических тел в условиях интерференции недостаточно изучены и освещены в литературе.

Вторая глава посвящена методике проведения визуализационных и тер-моанемометрических экспериментов в окрестности моделей плохообтекаемых тел и высотных зданий; дренажных испытаний для получения распределения аэродинамических нагрузок, действующих на поверхности зданий; исследований нестационарных аэроупругих колебаний секционной модели призмы прямоугольного поперечного сечения и динамически подобных моделей пролетных строений мостов через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр.

В разделе 2.1 обоснован выбор главных критериев динамического подобия (Рейнольдса, Струхаля, Коши, Ньютона, Скрутона), соблюдение которых позволит перенести результаты экспериментальных исследований на натуру.

Влияние числа Рейнольдса на аэродинамические характеристики исследуемых тел, имеющих сечения с угловыми точками, не является определяющим при условии нахождения в автомодельной зоне. Исследования высотных зданий проводились при скоростях набегающего потока до 20 м/с, что соответствовало автомодельной зоне по числам Рейнольдса, рассчитанных по ширине фасадной части модели здания Яем ~ 1,4x105. Для динамически подобных моделей пролетных строений мостов также была обеспечена автомодельность течения, т.к. интенсивные колебания наблюдались при скоростях набегающего потока от 7 до 25 м/с, соответствующих числам Рейнольдса по высоте сечений главных балок моделей Яе = 0,3 х 105... 1,1 х 105.

При исследовании нестационарных процессов обеспечивался критерий гомохронности - число Струхаля, учитывающий единовременность протекания нестационарных физических процессов для натурного и модельного объектов.

При моделировании упругих и демпфирующих свойств динамически подобных моделей пролетных строений мостов соблюдалось подобие по критериям Коши, Ньютона и Скрутона, обеспечивающееся соответствующим подбором жесткости элементов моделей и величины скоростного напора, выбором требуемого масштаба погонных масс и логарифмических декрементов колебаний для модели и натуры соответственно.

В экспериментах с моделями высотных зданий и пролетных строений мостов должно было быть соблюдено подобие вертикальных градиентов скорости, интенсивности и масштаба турбулентности, спектра пульсаций скорости. Данное требование удовлетворялось благодаря установке на срезе сопла решетки из горизонтально расположенных стержней. Подбор параметров решетки обеспечивался с помощью методики, разработанной, апробированной и широко используемой на кафедре аэрогидродинамики НГТУ. Для высотных зданий дополнительно с решеткой воспроизводилось окружение высотных зданий в радиусе около 250 м.

В разделе 2.2 приведено описание конструкций используемых моделей, экспериментального стенда, аэродинамической трубы и информационно-измерительного комплекса.

Исследования проводились в лаборатории промышленной аэродинамики НГТУ на дозвуковой аэродинамической трубе Т-503 замкнутого типа, имеющей открытую рабочую часть диаметром 1,2 м, длиной 3 м. В экспериментах использовались следующие модели:

- две одинаковые призмы с квадратными поперечными сечениями;

- две одинаковые призмы с прямоугольными поперечными сечениями, одна из которых была подвешена упруго и могла совершать колебания поперек потока;

- модели высотных зданий, спроектированных АМ «Тектоника» в г. Красноярске;

- динамически подобные модели пролетных строений мостов через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр.

Модели двух призм с квадратными поперечными сечениями представляли собой деревянные балки, оклеенные черной матовой пленкой ПВХ. В рабочей части аэродинамической трубы модели располагались вертикально, перпендикулярно набегающему потоку (угол атаки а = 0°), при этом нижними концами упирались в горизонтальный экран, имитирующий земную поверхность. Верхние концы балок выходили за границы потока в рабочей части и жестко крепились.

Форма сечений моделей двух призм с прямоугольными поперечными сечениями с соотношением сторон Ь/Н = 2/3 была близка форме сечений типовых коробчатых балок, широко применяющихся при возведении пролетных строений мостов. Относительное удлинение призм - 10. Модели призм располагались в рабочей части горизонтально, перпендикулярно набегающему потоку (угол атаки а = 0°), при этом одна из них была жестко закреплена на двух вертикальных опорах, а другая совершала колебания поперек потока. Колеблющаяся призма представляла собой секционную модель, подвешенную в рабочей части на упругой подвеске. Для получения возможности видеосъемки и улучшения ее качества, одна из концевых шайб была изготовлена из прозрачного материала в перпендикулярном к вертикальной плоскости симметрии модели направлении, а другая - затемнена (рис. 1, а). Регистрация колебаний упруго-подвешенной призмы в набегающем потоке осуществлялась с помощью тензо-элемента, расположенного в одной из ветвей упругой подвески (рис. 1, б).

Модели высотных зданий были изготовлены из пластика по заданной САБ-геометрии на ЗБ-принтере с минимальным пространственным разрешением 0,25 мм. Высота исследуемых здания составляла 108,2 м, при этом они имели постоянную по высоте ширину фасадов (31,85 м) и переменную по высоте ширину при виде сбоку. Учитывая размеры рабочей части аэродинамической трубы, был выбран максимально возможный из условий загромождения потока масштаб макета 1:250. Принятый масштаб и использование ЗБ-принтера позволили воссоздать в макете сложную структуру поверхности

высотных зданий, в том числе балконы, лоджии, выступы и другие элементы, важные для формирования потока. Для проведения дренажных испытаний был изготовлен отдельный комплект моделей высотных зданий из оргстекла. Каждая модель имела на поверхности более ста дренажных отверстий диаметром 0,8 мм для восприятия давления воздуха.

Рис. 1. Схемы экспериментальных установок для двух призм прямоугольного поперечного сечения (а - для визуализации; 6 - для определения амплитуд колебаний)

Динамически подобные модели пролетных строений мостов через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр представляли собой уменьшенные копии натурных объектов. Для изготовления динамически подобной модели был выбран композиционный материала на основе углеткани и стеклоткани с эпоксидным связующим. За счет комбинации на отдельных участках разного количества слоев углеткани и стеклоткани обеспечивалось распределение погонной массы и жесткости, подобное натурной конструкции. Массы отдельных элементов контролировались на всех этапах изготовления. Жесткость всех отформованных балок была уточнена экспериментально. Следует отметить, что пролетное строение моста через р. Томь в г. Кемерово в процессе монтажа находилось вблизи старого частично демонтированного моста, что также моделировалось при проведении аэродинамических экспериментов.

В разделе 2.3 описаны методики визуализационных и термоанемометри-ческих испытаний секционной модели прямоугольной призмы, дренажных испытаний высотных зданий, а также весовых испытаний, заключающихся в определении интегральных аэродинамических нагрузок секционной модели прямоугольной призмы и динамически подобных моделей пролетных строений мостов.

Визуализация потока проводилась с помощью метода «дымящей проволочки». Нихромовая проволока диаметром 0,6 мм натягивалась в подпружиненной рамке для компенсации ее удлинения при нагреве и равномерно покрывалась мелкими каплями глицерина, которые, испаряясь в результате электрического нагрева проволоки, образовывали дымовые струйки. Процесс визуализации снимался на цифровую видеокамеру Sony HDR-SR10E со скоростью 50 кадров в секунду. Для достижения необходимой контрастности и четкости видеоматериала, плоскость визуализации подсвечивалась параллельно потоку "световым ножом", а задний план затемнялся.

I , I ;

Измерения пульсаций скорости в окрестности моделей проводились с помощью термоанемометрического комплекса постоянного сопротивления ТАИК-3, датчик которого состоял из двух вольфрамовых проволок диаметром 6 микрон, и с помощью координатника перемещался вдоль и поперек потока.

Для проведения дренажных испытаний модели зданий были дренированы в трех горизонтальных сечениях по высоте, в сечении по контуру крыши, при этом в каждом сечении было не менее 20 отверстий диаметром 0,8 мм для замера давления. Кроме этого, для получения более точных эпюр распределения коэффициентов давления по высоте, в каждом здании было дополнительно дренировано около 30 точек, равномерно распределенных по высоте в плоскости симметрии. Для расчета характерного динамического давления для моделей высотных зданий использовалась скорость потока на высоте кровли зданий, а для окружающей застройки - скорость ветра на высоте 10 м.

Методика определения амплитуд колебаний различных моделей в зависимости от скорости набегающего потока достаточно хорошо отлажена на кафедре аэрогидродинамики НГТУ. При проведении исследований аэроупругих колебаний секционной модели призмы прямоугольного поперечного сечения и динамически подобных моделей пролетных строений мостов предварительно была проведена градуировка информационно-измерительного комплекса (ИИК), которая для каждого типа модели имела свои особенности.

При исследованиях упруго-подвешенной модели призмы и динамически подобных моделей пролетных строений мостов были зарегистрированы две основных формы колебаний. Во-первых, это возникающие в строго определенном диапазоне скоростей поступательные колебания в вертикальной плоскости, которые рассматривались в главах 4 и 5. Во-вторых, были отмечены крутильные колебания относительно горизонтальной оси, перпендикулярной направлению набегающего потока. Данная форма колебаний возникала при значительно больших скоростях, чем поступательные, и подробно не изучалась, потому что с практической точки зрения натурные критические скорости ветра, при которых возникают крутильные колебания на реальных сооружениях исследуемого типа, намного превышают нормативы СНиП 2.05.03 (ред. 2011 г.). Для более строгого учета диссипативных свойств системы проводилось определение зависимостей логарифмических декрементов колебаний от их амплитуд.

В третьей главе диссертации представлены результаты исследований в однородном малотурбулентном потоке (М « 1,8 = 0,5%) течения в окрестности двух призм квадратного поперечного сечения при изменении относительных продольных (Б/Н= 0...10) или поперечных (С/Я= 0...10) расстояний между ними в широких пределах.

В разделе 3.1 рассмотрены картины течения в окрестности двух призм при различном их взаимном расположении, полученные в результате визуализации методом «дымящей проволочки». Визуализация течения в окрестности двух квадратных призм проводилась при скорости набегающего потока Ут ~ 1м/с

(Яе ~ 0,3х104). В процессе экспериментов рамка с дымящей проволокой устанавливалась перпендикулярно продольной оси призм и направлению набегающего потока на высоте 8Н над экраном.

Проведенный анализ кинограмм пространственного обтекания моделей показал, что для пары квадратных призм картины визуализации можно разделить на четыре типа (I - IV) в случае установки призм на линии, перпендикулярной направлению скорости набегающего потока, и на три (V - VII) - в случае их расположения друг за другом, классификация которых представлена на рис. 2.

он

-IJ. -_1_1____1_!_

О 1 2 3 4 ЮН

v vi vu

Рис. 2. Классификация картин течения в окрестности двух призм квадратного поперечного сечения (Re = 3x103)

Следует отметить некоторые особенности при обтекания двух призм квадратного поперечного сечения. Если расстояние между балками в поперечном направлении изменялось в интервале от 0,1// до 0,6Н, то в зазоре между ними наблюдалось протекание потока, который мог отклоняться в сторону одной из балок. В это же время оторвавшийся с передних граней балок поток формировал вихревые структуры в их аэродинамическом следе на достаточно большом расстоянии от задних граней. При значении относительного поперечного зазора G/H = 0,7... 1,9 сход вихрей происходил только с одной из двух балок. Со второй, расположенной рядом призмы, также наблюдался срыв потока с боковых граней, но вихревая дорожка при этом за ней не формировалась. С приближением величины зазора к значению 1,9Я, вихревая дорожка за одной из балок становилась более выраженной и четкой.

Когда расстояние между двумя исследуемыми призмами превышало значение 2Н, позади призм синхронно формировались отдельные вихревые дорожки. Было замечено, что при каждом исследованном зазоре возникали две разновидности схода вихрей: симметричный или антисимметричный, при этом в основном преобладала симметричная картина течения (рис. 3, а). Данное явление можно интерпретировать как перемежаемость течения, когда в результате неконтролируемых возмущений происходит смена фазы схода вихрей.

При тандемном расположении призм при относительном зазоре S/H = 2,5 наблюдались не только V-я картина обтекания, но и VI-я (рис. 3, б). При данном критическом зазоре наличие двух картин обтекания отражает явление бистабильности течения для квадратных призм.

Рис. 3. Фотографии и схемы картин обтекания двух призм с квадратными поперечными сечениями (а - G/H = 5; б - S/H = 2,5)

В разделе 3.2 представлены подробные термоанемометрические исследования пульсаций скорости потока в аэродинамическом следе за двумя квадратными призмами. Замеры пульсаций скорости проводились на высоте 8Н над экраном, для исключения влияния экрана на измеряемые параметры в диапазоне чисел Рейнольдса Re = 0,3x105 + 0,4x105. Результаты измерений позволили определить числа Струхаля для различных взаимных положений призм. При расчете чисел Струхаля за характерный размер принималась постоянная величина - поперечный размер сечений призм (Н).

Результаты термоанемометрического зондирования представлены в виде зависимостей чисел Струхаля от безразмерного зазора между призмами в поперечном и продольном направлениях (рис. 4, а, б). Из рис. 4, а видно, что диапазон GIH =/(Sh) можно условно разделить на три области в зависимости от значения числа Струхаля. Одна область характеризуется тем, что если балки расположены близко друг к другу, то в диапазоне значений GIH= 0..Д2 числа Струхаля равны Sh « 0,05. При дальнейшем увеличении параметра GIH до значения 1,5 возникает неоднозначность обтекания балок, которая проявляется в существовании двух чисел Струхаля Sh = 0,06 и 0,18, что отражает следующая область. Для последней области характерно одно число Струхаля Sh = 0,13, так как при зазоре G/H = 2...10 с каждой балки сходят отдельные вихревые дорожки Кармана, имеющие одинаковые частоты, совпадающие с частотой схода вихрей с одиночной призмы квадратного сечения. Таким образом, можно утверждать, что существенное интерференционное взаимодействие призм (изменение структуры течения и частоты схода вихрей) проявляется только до GIH= 2.

Sh Sh

Рис. 4.. Зависимости чисел Струхаля от относительных расстояний между призмами в поперечном (а) и продольном (б) направлениях

Резкое изменение формы кривой на рис. 4, б в окрестности значения S/H= 2,5 объясняется результатами визуализации, показавшими, что при данной критической величине зазора наблюдалось явление бистабильности течения (рис. 3, б). При S/H = 9 числа Струхаля достигают максимального значения, которое при дальнейшем увеличении зазора не меняется. Наибольшее число Струхаля равняется соответствующему значению для одиночной квадратной призмы. Таким образом, можно отметить, что при S/H > 9 призмы расположены достаточно далеко, чтобы влиять на частоту схода вихрей с них.

Полученные результаты зависимости чисел Струхаля от относительных расстояний (G/H и S/H) могут быть использованы при оценке взаимодействия двух близко расположенных сооружений с квадратными поперечными сечениями, находящихся в условиях интерференции.

Четвертая глава посвящена исследованиям моделей двух призм с прямоугольными поперечными сечениями в однородном малотурбулентном потоке (M « 1, е = 0,5%), одна их которых совершала колебания поперек потока, а другая была установлена неподвижно.

Представленные в разделе 4.1 результаты визуализационных исследований (Re ~ 4,1х103) позволили изучить влияние неподвижной прямоугольной призмы на характер обтекания колеблющейся призмы такого же сечения. В экспериментах модель неподвижной призмы устанавливалась на различных расстояниях (Х/Н = 0... 7 и Y/H = 0... 5, где X и Y - расстояния между поперечными и продольными осями призм соответственно) по потоку перед колеблющейся призмой и за ней.

Анализируя картины течения, возникающие при изменении продольных либо поперечных расстояний между моделями следует отметить, что по структуре они схожи с картинами течения, представленными в третьей главе для призм с квадратными поперечными сечениями, однако из семи типов в окрестности прямоугольных призм реализуется только пять (II, IV...VII). В зависимости от того, где была расположена неподвижная модель: перед колеблющейся или за ней по потоку, значения относительных расстояний (Х/Н, Y/H), при которых возникал каждый режим обтекания, были различны. Так, при тан-демной компоновке (Y/H = 0) моделей застойная отрывная зона между приз-

мами образовывалась при Х/Н < 4 в случае расположения неподвижной призмы по потоку перед колеблющейся, и при Х/Н < 2 - в случае расположения неподвижной призмы по потоку за колеблющейся. Кроме того, только при расположении неподвижной модели в следе колеблющейся на расстояниях Х/Н=2..3,5\ Y/H < 1 наблюдался режим обтекания, когда сходящие с первой по потоку призмы вихри не успевали сформировать дорожки и разбивались о переднюю грань второй. Следует отметить, что при Y/H = 0 и Х/Н = 2...2,5 данный режим проявлялся только при интенсивных колебаниях (А™'/H -0,5, где Л™" - максимальное значение амплитуд колебаний одиночной прямоугольной призмы), в то время как при умеренных относительных амплитудах A™"/H ~0,2 сохранялась застойная отрывная зона между призмами. Поэтому диапазон расстояний Х/Н= 2...2,5 можно назвать критическим для прямоугольных призм.

В разделе 4.2 описываются амплитудно-скоростные характеристики колеблющейся призмы при различных её положениях относительно неподвижной. Оценка поведения изолированной секционной модели прямоугольной призмы в потоке, набегающем со скоростью от 3 до 31 м/с, показала, что относительные амплитуды колебаний могут достигать достаточно больших значений (Л™°''/я ~ 0,5 при логарифмическом декременте колебаний около 5 ~ 0,005). По характеру эти колебания близки к классическому ветровому резонансу. Расположение неподвижной призмы по потоку перед и за колеблющейся позволило выявить новые виды аэроупругих колебаний последней. Это обусловлено аэродинамической интерференцией призм. Кроме того, установлены интервалы относительных продольных и поперечных расстояний между призмами, соответствующих уменьшению или увеличению относительных амплитуд колебаний упруго-подвешенной модели призмы (рис. 5). Особое внимание следует обратить на то, что когда неподвижная модель расположена позади колеблющейся, наблюдалось как уменьшение относительных амплитуд колебаний (Лт«/Л™л < 0,4, Х/Н = 0,8...2, F/#= 0,5...2,5), так и их увеличение (А> 1 ,Х/Н= 2,5...3,5 Y/H = 0...2,5) в достаточно большой области изменения относительных координат Х/Н и YIH по сравнению с амплитудами колебаний изолированной секционной модели прямоугольной призмы.

С точки зрения практического применения, колеблющуюся модель прямоугольной призмы следует рассматривать как секционную модель консольной части пролетного строения моста, монтируемого методом продольной над-вижки, а неподвижную модель прямоугольной призмы - как уже построенный мостовой переход, либо пролетное строение первой очереди. Интенсивность и характер колебаний секционной модели позволяют провести оценку влияния неподвижной конструкции на колеблющуюся, и, по возможности, выбрать наиболее безопасное взаимное положение сооружений. Представленные результаты для двух одинаковых призм с относительной шириной сечений Ь/Н = 2/3 являются новыми, и ранее не встречались в литературе.

■;0

173456789 I

13»

-0.39 Дйш/Н = 0.4-0.5

5 - колебания отсутствуют

IV 2 ' 3 4 '

Рис. 5. Область изолиний амплитуд колебаний упруго-подвешенной модели призмы прямоугольного сечения в присутствии такой же неподвижной модели призмы

В пятой главе представлены исследования моделей реальных строительных сооружений, находящихся в условиях аэродинамической интерференции: моделей высотных зданий, спроектированных АМ «Тектоника» в г. Красноярске, и динамически подобных моделей пролетных строений мостов через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр.

В разделе 5.1 описываются результаты исследований обтекания двух высотных зданий в условиях интерференции, определения суммарных и распределенных аэродинамических нагрузок на поверхность зданий жилого комплекса. Вначале были проведены расчеты ветровых нагрузок, оценка опасности возникновения ветрового резонанса и галопирования. Расчеты показали, что для зданий вихревое возбуждение колебаний не представляет опасности, т.к. для критической скорости ветра 45 м/с, при которой он возможен, значение максима.!'1 'ой амплитуды колебаний равно 0,29 м. Оценка критической скорости галопирования показала, что данные аэроупругие колебания могли бы заметно проявиться только при скоростях ветра, существенно превышающих значения, регламентированные СНиП 2.01.07 (ред. 2011 г).

Воспроизведение параметров приземного атмосферного слоя проводилось на модели, состоящей из ландшафта местности и зданий жилого микрорайона без высотных домов. Поток, поступающий в рабочую часть аэродинамической трубы, проходил через решетку из горизонтальных стержней, формирующую над экраном степенное распределение средней скорости. Измерения проводились в области предполагаемого расположения высотных зданий на различных высотах г от поверхности. Результаты продувок модели с основных направлений приведены на рис. 6, 7 в виде распределений по вертикальной координате

средней скорости и интенсивности турбулентности, соответственно. При восточном, южном и западном направлениях потока (рис. 6), профиль скорости достаточно хорошо описывается степенной зависимостью, в отличие от северного направления ветра, ввиду значительно большего влияния на поле течения в исследуемой области близлежащих зданий, создающих аэродинамическое затенение «высоток».

Проведенные термоанемометрические исследования позволили определить характерные числа Струхаля в окрестности высотных зданий и показали, что независимо от направления ветра спектр частот был размыт. При этом результаты дополнительных исследований показали, что основной причиной, приводящей к разрушению регулярного схода вихрей с поверхности высотных зданий, являлось именно их взаимное влияние, то есть аэродинамическая интерференция, а не степенной характер распределения скорости по вертикали, повышенная турбулентность потока, наличие окружающей городской застройки или переменная ширина сечения самих зданий по высоте.

Рис. 6. Влияние направления течения на про- Рис. 7. Влияние направления течения на филь средней скорости. профиль интенсивности турбулентности.

Визуализация позволила выявить некоторые особенности течения в окрестности моделей зданий. При юго-восточном и северо-западном направлениях наблюдалось сильное поджатие струек тока между высотными зданиями, что могло бы вызвать повышение скорости течения и, стало быть, местного динамического давления. Однако измерение средних и пиковых составляющих коэффициента давления для дренажных точек в этой области показало, что в наихудшем случае они принимали следующие значения: СРт1п < -1.2- что не превышает рекомендованные СНиП 2.01.07 величины. Однако на участке по краю кровли зданий коэффициенты давления (СРга1п =-2.42) превышали рекомендованные СНиП значения на 20%. В целом, с точки зрения аэродинамики зданий и интерференционного взаимодействия между ними, принятое архитектурно-планировочное решение следует признать удачным.

В результате можно сделать вывод, что для высотных зданий сложной формы оценочных расчетов ветровых нагрузок на их поверхность недостаточно, и они должны сопровождаться экспериментами в аэродинамических трубах.

В разделе 5.2 представлены результаты исследований аэроупругих колебаний пролетного строения моста через р. Томь в г. Кемерово в условиях интерференции, а также предложены способы гашения аэроупругих колебаний пролетных строений мостов через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр.

Строящийся мост через р. Томь располагался на относительно небольшом расстоянии от старого не демонтированного, при этом угол между осями пролетных строений мостов составлял 15,7° (рис. 8). Поэтому на разных стадиях надвижки расстояние между пролетными строениями было различно, а в зависимости от направления ветра монтируемый мост находился либо в аэродинамическом следе старого, либо перед ним по потоку.

Продувки одиночной (без модели старого моста) динамически подобной модели пролетного строения моста через р. Томь показали, что она обладает достаточно высокой аэроупругой устойчивостью и имеет малые амплитуды колебаний в рассматриваемом диапазоне скоростей (до 25 м/с). Однако при совместном обтекании, когда новое пролетное строение находилось впереди или позади старого, интенсивность и характер аэроупругого возбуждения нового сооружения изменялись: при направлении ветра со стороны старого моста возникали интенсивные колебания типа бафтинг, а при направлении ветра со стороны нового - вихревое возбуждение и комбинированные колебания (рис. 9). Предварительные исследования динамически подобной модели пролетного строения моста через р. Обь показали, что на стадии монтажа оно подвержено интенсивным (0,5... 1,0 м) колебаниям двух типов: вихревое возбуждение и галопирование.

Ш 0.25

__ с /

- : г 1.......

£.....................

Рис. 8. Мостовой переход через р. Томь в г. Кемерово при наличии старого недемонтированного моста.

Рис. 9. Зависимость относительной амплитуды колебаний модели от приведенной скорости потока при (3 = 0° (о - одиночное пролетное строение, б - поток со стороны старого пролетного строения, в - поток со стороны нового пролетного строения).

Для каждого пролетного строения был подобран свой тип устройств гашения аэроупругих колебаний, устраняющих регулярный сход вихрей с поверхности балок. Для этого были рассмотрены оригинальные устройства (щитки и дефлекторы), оптимизация геометрических параметров которых проводилась по методу градиентного или координатного спуска, с целью нахождения экстремума многомерной зависимости амплитуд колебаний от параметров гасителей. Оптимизация устройств проводилась обычно для самого опасного вари-

анта - в малотурбулентном потоке при его направлении перпендикулярном оси строения, а затем эффективность устройств обязательно проверялась в широком диапазоне углов скольжения над экраном при моделировании распределения по высоте скорости и турбулентных характеристик приземного слоя. Окончательно из исследованных вариантов устройств для пролетного строения моста через р. Томь был выбран вариант с дефлекторами, т.к. при соизмеримой суммарной площади устройств они дают меньшее увеличение площади в плане (выгодно с точки зрения бафтинга в аэродинамическом следе старого строения) и имеют меньший вылет относительно их точек крепления к пролетному строению, т.е. меньшие нагрузки на подкрепляющие элементы. Устранение бафтинга требовало придания старому мосту удобообтекаемой формы, что потребовало бы установки обтекателей большой площади и значительно увеличило стоимость и вес конструкции. Поэтому для предотвращения опасных колебаний были рассчитаны ограничения на максимальную скорость ветра в зависимости от вылета консоли и номера пролета. Для пролетного строения моста через р. Обь требуемое уменьшение амплитуд колебаний обеспечивали щитки.

Разработанные для пролетных строений мостов через р. Томь и р. Обь устройства гашения колебаний показали свою высокую эффективность (амплитуды колебаний не превышали 0,1 м для натурного строения) на всех стадиях над-вижки при натурных скоростях ветра до 25 м/с (рис. 10, 11). К тому же, на примере гашения колебаний пролетного строения моста через р. Обь было показано, что устройства, ранее обеспечивающие требуемое уменьшение амплитуд колебаний на близком по форме сооружении (пролетное строение моста через р. Томь), теряют свою эффективность при небольших изменениях геометрических параметров пролетного строения.

Рис. 10. Влияние дефлекторов на амплитуду Рис. 11. Влияние формы устройств на эф-аэроупругих колебаний динамически подоб- фективность гашения колебаний динамиче-ной модели пролетного строения моста че- ски подобной модели пролетного строения рез р. Томь в г. Кемерово (ветер со стороны моста через р. Обь у пос. Красный Яр нового пролетного строения)

В заключении сформулированы основные выводы диссертации.

В работе представлены результаты исследований течения в окрестности двух призм с квадратными (Ъ/Н = 1) и прямоугольными (Ь/Н = 2/3) попереч-

ными сечениями при числах Рейнольдса Яе = 0,3 а также ис-

пользование этих результатов при проведении в 2001-2011 годах хоздоговорных научно-исследовательских работ, направленных на изучение аэродинамических нагрузок на поверхность жилого комплекса (два высотных здания в городе Красноярске) и исследование аэроупругих колебаний пролетных строений мостов через реку Томь в городе Кемерово и через реку Обь у поселка Красный Яр с целью разработки устройств для их гашения.

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие основные выводы.

1. В окрестности двух плохообтекаемых тел (ЫН = 1 и Ь/Н = 2/3) в однородном малотурбулентном

потоке (М«1, б — 0,5%) при п. - 0е выявлено существование нескольких типов вихревых структур, явлений бистабильности и перемежаемости течения при изменении относительных расстояний между ними в широких пределах (для призм с Ш= 1: Яе ~ 0,ЗхЮ\ 5/Я= 0...10, в/Н= 0...10; для призм с Ь/Н = 2/3: Яе~4,2х103,^7Я=0...7, Ш= 0...5).

2. Представлены зависимости чисел Струхаля для пульсационных составляю!." скорости в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Яе = 0,ЗхЮ5...0,4х105) в окрестности двух квадратных призм (а = 0°) от относительных расстояний между ними в продольном (8!Н = 0...10) и поперечном (й/Н = 0... 10) направлениях.

3. Впервые получены классификация видов колебаний и области изолиний амплитуд колебаний призмы прямоугольного сечения (Ь/Н = 2/3) в однородном малотурбулентном потоке

(М«1, Яе = 1,2х104...1,ЗхЮ5, а = 0°) при расположении в ее окрестности неподвижной призмы таких же размеров в широком диапазоне изменения относительных расстояний в продольном (Х/Н = 0...7) и поперечном (У/Н = 0...5) направлениях.

4. Установлено, что из-за положительной аэродинамической интерференции моделей двух высотных зданий существенно снижалась вероятность возникновения ветрового резонанса, а локальные отрывающие усилия в местах сужения потока между зданиями не превышали рекомендуемые СНиП значения. Наиболее опасными оказались участки по краю кровли, где превышение по сравнению с рекомендациями СНиП составило 20%.

5. Выявлено, что при надвижке моста через р. Томь в г. Кемерово рядом расположенный старый частично демонтированный мост усиливал амплитуды колебаний монтируемого строения в 2...4 раза в зависимости от направления ветра. Пролетное строение моста через р. Обь у пос. Красный Яр в исходном варианте на стадии монтажа также могло быть подвержено интенсивным аэроупругим колебаниям двух типов: вихревое возбуждение и галопирование.

6. Разработаны устройства аэродинамического гашения колебаний как для одиночной мостовой конструкции (через р. Обь), так и в случае расположения пролетного строения моста в условиях аэродинамической интерференции (через р. Томь). Устройства были изготовлены и смонтированы на натурных сооружениях, после чего колебаний конструкций не наблюдалось до окончания монтажа при скоростях ветра до 25 м/с, что подтверждено актами внедрения результатов работы.

В приложении представлены акты внедрения результатов работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах

1. Исследование структуры течения в окрестности двух балок квадратного поперечного сечения в условиях интерференции / С.Д. Саленко, А.Д. Обуховский, Ю.А. Гостеев, Ю.В. Телкова // Теплофизика и аэромеханика. - 2010. - Т. 17, № 2. - С. 313-323.

2. Саленко, С.Д. Гашение аэроупругих колебаний пролетного строения моста через реку Обь / С.Д. Саленко, А.Д. Обуховский, Ю.В. Телкова // В мире научных открытий. Сер.: Математика. Механика. Информатика. -Красноярск: Научно-инновационный центр,2011.-№ 1 (13).-С. 167-176.

3. Саленко, С.Д. Пассивные гасители аэроупругих колебаний пролетного строения моста на стадии монтажа / С.Д. Саленко, А.Д. Обуховский, Ю.В. Телкова // Интернет-вестник ВолгГАСУ. Сер.: Политематическая, 2011. - Вып. 2 (16). Режим доступа: http://www.vestnik.vgasu.ru.

4. Инженерное оборудование высотных зданий / М.М. Бродач, ... Ю.А. Гостеев, А.Д. Обуховский, В.П. Однорал, С.Д. Саленко, Ю.В. Телкова [и др.]; под общ. ред. М.М. Бродач. - 2-е изд., испр. и доп. - М.: АВОК-ПРЕСС, 2011.-458 с.

5. Захарова, Ю.В. Аэроупругие колебания конструкции моста в условиях аэ-родинамичекой интерференции / Ю.В. Захарова, С.Ю. Медных // Дни науки НГТУ-2002: тез. докл. студ. конф. / под ред. М.А. Кувшиновой. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. - С. 37-38.

6. Телкова, Ю.В. Аэроупругая неустойчивость призматических тел в условиях интерференции / Ю.В. Телкова // Устойчивость и турбулентность гомогенных и гетерогенных жидкостей: материалы молодежной конф. / под ред. В.В. Козлова. - Новосибирск: ИТПМ, 2005. - Вып. X. - С. 174-177.

7. Телкова, Ю.В. Аэроупругие колебания призматического тела в условиях интерференции / Ю.В. Телкова // Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии: тез. докл. VI Всероссийской конференции молодых ученых / под ред. В.М. Фомина. - Новосибирск: ИТПМ, 2007. - С. 55-56.

8. Telkova, J.V. Aeroelastic vibrations of a prismatic body in interference conditions / J.V. Telkova // 13th Intera. Conf. on the Methods of Aerophysical Research: Proc. - Novosibirsk: Parallel, 2007. - Pt V. - P. 166-170.

9. Telkova, J.V. Flow visualization around the two prismatic bodies [Electronic resource] / J.V. Telkova // 14th Intern. Conf. on the Methods of Aerophysical Research: Proc. / ed. V.M. Fomin. - Novosibirsk, 2008. - 1 electron-optical disk (CD-ROM).

10. Investigation in wind tunnel flow interaction with models of two high-rise apartment houses [Electronic resource] / J.V. Telkova, S.D. Salenko, A.D. Obukhovsky, E.A. Zikov, A.D. Liabchuk // 14th Intern. Conf. on the Methods of Aerophysical Research: Proc. / Ed. V.M. Fomin. - Novosibirsk, 2008. - 1 electron-optical disk (CD-ROM).

11. Аэродинамические исследования комплекса высотных зданий / С.Д. Сален-ко, Ю.А. Госгеев, А.Д. Обуховский, В.П. Однорал, Ю.В. Телкова // Аэродинамика и динамика полета летательных аппаратов: тез. докл. VII школы-семинара СибНИА; под ред. А.Г. Румянцева. - Новосибирск, 2009. - С. 35-38.

12. Саленко, С.Д. Структура течения в окрестности двух цилиндров квадратного поперечного сечения / С.Д. Саленко, А.Д. Обуховский, Ю.В. Телкова // Аэродинамика и динамика полета летательных аппаратов: тез. докл. VIII школы-семинара СибНИА / под ред. А.Г. Румянцева. - Новосибирск, 2010.-С. 45-49.

13. Обуховский, А.Д. Исследование отрывных течений при обтекании призматических тел однородным потоком / А.Д. Обуховский, Ю.В. Телкова, А.Л. Писанова // Наука. Промышленность. Оборона: труды XI Всерос. на-уч.-техн. конф., 21-23 апр. 2010 г., Новосибирск. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010.-С. 447-451.

14. Flow visualization around the two square cylinders under interference conditions / S.D. Salenko, A.D. Obukhovsky, Y.A. Gosteev, J.V. Telkova // 15th Intern. Conf. on the Methods of Aerophysical Research: Abs. Pt I. / Ed. V.M. Fomin. - Novosibirsk, 2010. - P. 221-222.

15. Телкова, Ю.В. Течение в окрестности двух квадратных призм, расположенных тандемом / Ю.В. Телкова, А.Л. Писанова // Перспективные технологии самолётостроения в России и мире: труды Всерос. науч.-практ. конф. молодых специалистов и студентов, 1-2 июня 2010 г., Новосибирск / под ред. А.Н. Серьёзнова, В.К. Белова. - Новосибирск: СибНИА, 2010. - С. 10-14.

16. Телкова, Ю.В. Моделирование атмосферной турбулентности в аэродинамической трубе при помощи равномерной решетки / Ю.В. Телкова, А.Л. Писанова // Наука. Промышленность. Оборона: труды XII Всерос. науч.-техн. конф., 20-22 апр. 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2011.-С. 605-607.

17. Саленко, С.Д. Гашение аэроупругих колебаний пролётного строения моста через реку Томь в городе Кемерово в условиях интерференции / С.Д. Саленко, А.Д. Обуховский, Ю.В. Телкова // Перспективные технологии самолётостроения в России и мире: тез. докл. науч.-практ. конф. молодых специалистов и учёных, 5-6 июля 2011 г., Новосибирск / под общ. ред. А.Н. Серьёзнова. - Новосибирск: СибНИА, 2011. - С. 10-11.

Отпечатано в типографии Новосибирского государственного Технического университета 630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, тел./факс: (383) 346-08-57 формат 60x84 1\16, объем 1.5 пл., тираж 100 экз. заказ № 151 подписано в печать 28.12.11 г.

Текст научной работы диссертации и автореферата по механике, кандидата технических наук, Телкова, Юлия Владимировна, Новосибирск

61 12-5/1920

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Телкова Юлия Владимировна

АЭРОДИНАМИКА ПЛОХООБТЕКАЕМЫХ ПРИЗМАТИЧЕСКИХ ТЕЛ

В УСЛОВИЯХ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

Специальность 01.02.05 - механика жидкости, газа и плазмы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Саленко С.Д.

Новосибирск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение...............................4

Глава 1. Современное состояние вопроса.............. 11

Глава 2. Методика физического моделирования...........29

2.1. Критерии подобия.........................29

2.2. Экспериментальный стенд и используемые модели.........34

2.3. Методика проведения основных типов экспериментов........43

Глава 3. Исследования течения в окрестности плохообтекаемых тел в условиях интерференции.......................54

3.1. Анализ картин течения в окрестности двух призм квадратного поперечного сечения........................54

3.2. Пульсации скорости в следе за двумя призмами квадратного поперечного сечения........................62

3.3. Выводы к главе 3......................... 75

Глава 4. Аэроупругие колебания призмы прямоугольного поперечного сечения в условиях интерференции..................77

4.1. Анализ картин течения в окрестности двух призматических тел,

одно из которых совершало поперечные колебания.........77

4.2. Аэроупругие колебания прямоугольной призмы в условиях интерференции.......................... 83

4.3. Выводы к главе 4.........................109

Глава 5. Исследования моделей реальных сооружений в условиях интерференции................................................111

5.1. Исследования высотных зданий в городе Красноярске.......111

5.1.1. Оценка ветровых нагрузок, опасности возникновения

ветрового резонанса и галопирования..................114

5.1.2. Параметры модельного приземного слоя атмосферы.......123

5.1.3. Визуализация течения.....................126

5.1.4. Определение чисел Струхаля для пульсаций ветровой нагрузки . .131

5.1.5. Определение осредненных и пульсационных составляющих ветровой нагрузки.......................134

5.2. Исследования пролетного строения моста через реку Томь

в городе Кемерово в условиях интерференции...........147

5.2.1. Анализ амплитудно-скоростных характеристик динамически подобной модели пролетного строения моста..........151

5.2.2. Гашение аэроупругих колебаний пролетных строений мостов . . 160

5.3. Выводы к главе 5.........................172

Заключение.............................174

Список литературы.........................177

Приложение.............................188

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В современной строительной индустрии широко применяются протяженные конструкции, имеющие плохообтекаемые сечения. Опыт их возведения и эксплуатации показывает, что ветер представляет серьезную опасность как для сооружений в целом, так и для их элементов. Уплотнение городских застроек и ведение строительства в несколько этапов приводит к тому, что многие сооружения оказываются в условиях аэродинамической интерференции. При этом происходит изменение структуры потока в окрестности строений, возникновение непредсказуемых распределений давлений на их поверхностях и нестационарных аэродинамических сил, приводящих к аэроупругим колебаниям конструкций. В частности, при аэродинамических исследованиях на кафедре аэрогидродинамики НГТУ в 2001 году моста через р. Иртыш в г. Омске, возводимого в две очереди [28], было установлено следующее. При надвижке пролетного сооружения второй очереди на характер и интенсивность ее колебаний оказывал влияние уже построенный пролет первой очереди моста. При этом наблюдался не только «классический» бафтинг при расположении монтируемого строения в следе построенного, но и усиление колебаний при противоположном направлении ветра. Для понимания структуры течения в окрестности близко расположенных сооружений (например, мостов или высотных зданий) необходимы подробные многосторонние исследования аэродинамических характеристик типичных форм строительных конструкций, а именно квадратных и прямоугольных призм, в условиях интерференции.

квадратных или прямоугольных призм данные о структурах потока, нестационарных характеристиках течения в их окрестности и аэроупругой неустойчивости в литературных источниках представлены в ограниченном количестве. Учитывая широкое применение в строительной отрасли элементов конструкций, близких по форме к призме, было решено провести детальные исследования нестационарного обтекания подобных тел, а также их аэроупругой неустойчивости в условиях интерференции.

Цель работы заключается в экспериментальном исследовании нестационарных характеристик течения в окрестности двух плохообтекаемых призматических тел в условиях интерференции.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:

1. Визуализировать структуры течения в окрестности двух плохообтекаемых призматических тел.

Научная новизна работы состоит в том, что:

1. Установлено существование семи типов вихревых структур в окрестности двух квадратных призм при Re ~ 0,3><104, а = 0° и пяти типов вихревых структур в окрестности двух прямоугольных (Ь/Н = 2/3, где Ъ - ширина поперечных сечений, H - высота сечений) призм при Re ~ 4,2x10 , а = 0° в условиях интерференции при изменении относительных продольных и поперечных расстояний между ними в широких диапазонах (SIH - 0...10, G/H = 0... 10 и XIH = 0... 12, Y/H= 0.. .5,5, где S и X - расстояния между квадратными и прямоугольными призмами в продольном направлении, а G и Y - расстояния между квадратными и прямоугольными призмами в поперечном направлении, соответственно).

2. Получены границы существования бистабильности и перемежаемости течения в окрестности двух плохообтекаемых тел при изменении их взаимного положения (для призм с ЫН = 1: £///=2,5, С///=0,1.. .10; для призм с ЫН = 2/3: Х/Н= 2...2,5, 7/Я= 0).

3. Выявлены характерные виды колебаний для призматического тела (ЫН = 2/3) в условиях его интерференции с телом такой же формы, и впервые получена классификация этих видов колебаний в зависимости от взаимного расположения тел друг относительно друга (Х/Н = 0...7; У/Н= 0...5) в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Яе= 1,2хЮ4...1,Зх105иа = 0°).

4. Впервые получены области изолиний амплитуд колебаний модели призмы прямоугольного сечения (ЫН = 2/3) при расположении в ее окрестности неподвижной призмы таких же размеров.

Практическая ценность работы:

1. При сопоставлении результатов визуализации и термоанемометрических исследований двух неподвижных призм с квадратными поперечными сечениями в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Яе = 0,3x105...0,4x105, а = 0°), получены характерные структуры обтекания и зависимости чисел Струхаля для пульсаций скорости от относительных расстояний между ними (577/ = 0... 10 и С/Н = 0... 10).

2. Получены характерные структуры течения в окрестности колеблющейся призмы с прямоугольным поперечным сечением (ЫН— 2/3) в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Ле = 1,2x104... 1,3x105, а = 0°) в условиях аэродинамической интерференции для различных режимов аэроупругой неустойчивости.

3. Систематизированы данные об интенсивности и характере аэроупругих колебаний прямоугольной призмы (Ь/Н = 2/3) в присутствии такой же неподвижной призмы в однородном малотурбулентном потоке (М«1, Re= 1,2хЮ4...1,Зх105,а = 0°).

относительным амплитудам колебаний А,тх/А^ > 1 при Х/Н = 2,5...3,5

Y/H= 0...2,5, а наименее опасные - Am,jA22 < 0,4 при Х/Н = 0,8...2, Y/H

= 0,5...2,5 и Х/Н= 4...6, Y/H = 0...1, где aZZ - максимальное значение относительной амплитуды колебаний одиночной прямоугольной призмы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 176 страницах основного текста, содержащего 125 рисунков и 3 таблицы, списка литературы (121 наименование) и приложения, в котором представлены акты внедрения результатов работы.

В первой главе выполнен обзор литературы, касающейся нестационарной аэродинамики плохообтекаемых конструкций, в том числе высотных зданий и мостов. Представлен анализ основных видов аэроупругой неустойчивости и способов гашения возникающих аэроупругих колебаний. Показано, что аэродинамические характеристики призматических тел в условиях интерференции недостаточно изучены и освящены в литературе.

Вторая глава посвящена методике проведения визуализационных и термоанемометрических экспериментов в окрестности моделей плохообтекаемых тел и высотных зданий; дренажных испытаний для получения распределения аэродинамических нагрузок, действующих на поверхности зданий; исследований нестационарных аэроупругих колебаний секционной модели призмы прямоугольного поперечного сечения и динамически подобных моделей пролетных строений мостов через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр. Обоснован выбор главных критериев динамического подобия, соблюдение которых позволит перенести результаты экспериментальных исследований на натуру. Приведено описание конструкций используемых моделей, экспериментального стенда, аэродинамической трубы и информационно-измерительного комплекса, описаны методики испытаний секционной модели прямоугольной призмы и динамически подобных моделей пролетных строений мостов.

В третьей главе представлены результаты исследований течения в окрестности двух призм квадратного поперечного сечения при изменении относительных продольных или поперечных расстояний между ними в широких пределах.

В первом разделе главы рассмотрены картины течения в окрестности двух призм при различном их взаимном расположении, полученные в результате визуализации методом «дымящей проволочки».

Во втором разделе главы представлены подробные термоанемометрические исследования пульсаций скорости потока в аэродинамическом следе этих призм.

Четвертая глава посвящена исследованиям, проведенным на моделях двух призм, одна их которых совершала колебания поперек потока, а другая была установлена неподвижно. Призмы имели прямоугольные поперечные сечения с пропорциями, типичными для главных балок пролетных строений мостов (Ь/Н = 2/3). Визуализационные исследования позволили изучить

трансформацию картин течения при изменении относительных расстояний между моделями. Определение амплитудно-скоростных характеристик для различных взаимных положений колеблющейся и неподвижной призм выявило новые виды аэроупругих колебаний, обусловленных аэродинамической интерференцией призм. Были также установлены области относительных продольных и поперечных расстояний между призмами, соответствующих уменьшению или увеличению относительных амплитуд колебаний упруго-подвешенной модели призмы.

В пятой главе представлены исследования моделей реальных строительных сооружений, находящихся в условиях аэродинамической интерференции. Для моделей двух высотных зданий в г. Красноярске проведена визуализация течения, термоанемометрические и дренажные испытания для выявления неблагоприятного интерференционного взаимодействия зданий. Для динамически подобных моделей пролетных строений мостов через р. Томь в г. Кемерово и через р. Обь у пос. Красный Яр представлены исследования их аэроупругих колебаний с целью разработки устройств для подавления возникшей неустойчивости.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментального исследования влияния относительных продольных (5УЯ = 0... 10) и поперечных (ан = 0... 10) расстояний между квадратными призмами на структуру течения в их окрестности, на основании которых установлена многовариантность реализующихся типов структур обтекания при М«1, Яе ~ 0,3x104 и а = 0°.

2. Данные исследований в однородном малотурбулентном потоке при М«1, Яе = 0,ЗхЮ5...0,4хЮ5 и а = 0° по влиянию относительных расстояний между квадратными призмами на числа Струхаля для пульсационных составляющих скорости в аэродинамическом следе.

3. Результаты о существовании нескольких типов вихревых структур, а также бистабильности течения, полученные в процессе визуализации обтекания большого числа конфигураций, состоящих из двух прямоугольных призм с относительной шириной сечений по потоку Ъ/Н= 2/3, одна их которых совершала колебания поперек потока, а другая была установлена неподвижно при М«1, Ые ~ 4,2^10 и а = 0°.

4. Данные экспериментального исследования аэроупругих колебаний прямоугольной призмы (Ъ/Н = 2/3) в присутствии такой же неподвижной призмы, а также результаты о новых видах аэроупругой неустойчивости, обусловленной аэродинамической интерференцией призм при М«1, Яе= 1,2х104...1,3х105иа = 0°.

Автор выражает искреннюю признательность научному руководителю, заведующему кафедрой аэрогидродинамики Новосибирского государственного технического университета профессору С.Д. Саленко, за постановку задачи и полезное обсуждение результатов исследований, доценту кафедры аэрогидродинамики НГТУ А.Д. Обуховскому за всестороннюю помощь, оказанную в период выполнения работы, а также всему коллективу кафедры аэрогидродинамики НГТУ за постоянную поддержку и содействие в проведении экспериментов.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА

Одной из наиболее важных составляющих общей нагрузки на наземное строительное сооружение является ветровая. Особенно велико влияние ветра на высотные здания и мосты с большими пролетами. Помимо того, что строительные сооружения под действием ветровой нагрузки могут быть подвержены аэроупругим колебаниям, так еще в процессе строительства или эксплуатации они могут оказаться в условиях интерференции из-за близости соседних конструкций. Для высотных зданий это может быть аналогичное соседнее здание, для мостового перехода - уже построенный и эксплуатирующийся мост или первая очередь строящегося. В таких условиях, структура потока в окрестности сооружений изменяется, возникает непредсказуемое распределение осредненных и пульсационных составляющих нагрузки на их поверхностях, которые могут привести к новым видам аэроупругих колебаний.

Взаимодействие высотных (более 75... 100 м) зданий с ветровым потоком становится важнейшим фактором, определяющим безопасность их эксплуатации и комфорт находящихся внутри и около зданий людей. В связи со сложной, и к тому же индивидуальной аэродинамикой подобных сооружений, определение ветровых нагрузок является обязательным этапом их проектирования, т.к. с ростом высоты здания резко увеличиваются нагрузки на несущие конструкции.

В ряде зарубежных стран, особенно в США, накоплен значительный опыт проектирования, строительства и эксплуатации высотных зданий. Одним из первых небоскребов можно считать Вулворт Билдинг (Woolworth Building) в Нью-Йорке высотой 241 м (57 этажей), возведенный в 1913 г. Долгое время самым высоким зданием в мире считался Эмпайр Стейт Билдинг (Empire State Building), имеющий 102 этажа и общую высоту 381 м (с антенной - 448 м). В дальнейшем его потеснили здания Международного торгового центра (World Trade Center) в Нью-Йорке (415, 417 м) и Сире Тауэр (Sears Tower) в Чикаго

(442 м). В последние годы строительство самых высоких зданий переместилось на Восток - в Малайзию, Тайвань, Китай и Японию. В настоящее время в России высочайшим зданием является башня «Москва» в комплексе «Город Стол