Ветротехника

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

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

Ветротехника включает, среди прочего:

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

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

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

История

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

Ветровые нагрузки на здания

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

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

где:

\ v_{z}

= скорость ветра на высоте

\ z

\ v_{g}

= градиентный ветер на высоте градиента

\ z_{g}

\ \alpha

= экспоненциальный коэффициент

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

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

Ветровой комфорт

Появление высотных многоэтажных домов привело к опасениям по поводу воздействия ветра, причиняемого этими зданиями пешеходам, находящимся поблизости.

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

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

Другие критерии классифицировали ветровую среду как совершенно неприемлемую или опасную.

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

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

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

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

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

Ветровые турбины

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

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

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

где:

\ v_{w}(h)

= скорость ветра на высоте

h

[РС]

\ v_{ref}

= скорость ветра на некоторой базовой высоте

h_{ref}

[РС]

\ a

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

Значение

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

См. также

Ссылки

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

Дальнейшее чтение

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

Внешние ссылки

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

[1] Хьюитт, Сэм; Маргеттс, Ли; Ревелл, Алистер (18 апреля 2017 г.). «Строим цифровую ветряную электростанцию» . Архив вычислительных методов в технике . 25 (4): 879–899. дои : 10.1007/s11831-017-9222-7 . ISSN 1134-3060 . ПМК 6209038 . ПМИД 30443152 .

[2] Кокран, Лейтон; Дериксон, Расс (апрель 2011 г.). «Взгляд разработчика физического моделирования на вычислительную ветротехнику». Журнал ветротехники и промышленной аэродинамики . 99 (4): 139–153. дои : 10.1016/j.jweia.2011.01.015 .

[3] Солари, Джованни (2019). Наука и техника ветра: истоки, развитие, основы и достижения . Спрингерские трактаты в гражданском строительстве. Чам: Международное издательство Springer. дои : 10.1007/978-3-030-18815-3 . ISBN 978-3-030-18814-6 .

[4] Исюмов, Николай (май 2012 г.). «Знак Алана Г. Давенпорта в ветротехнике». Журнал ветротехники и промышленной аэродинамики . 104–106: 12–24. дои : 10.1016/j.jweia.2012.02.007 .

[Crawley-5] Кроули, Стэнли (1993). Стальные здания . Нью-Йорк: Уайли. п. 272. ИСБН 978-0-471-84298-9 .

[Gupta-6] Гупта, Аджая Кумар и Питер Джеймс Мосс (1993). Рекомендации по проектированию малоэтажных зданий, подверженных действию боковых сил . Бока-Ратон: CRC Press. п. 49. ИСБН 978-0-8493-8969-6 .

[7] Ветровой комфорт пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветрового комфорта. Таблица 3

[8] Ветровой комфорт пешеходов вокруг зданий: сравнение критериев ветрового комфорта. Рисунок 6

[9] Воздействие ветра на пешеходов. Рисунок 3

[10] Рекомендации AIJ по практическому применению CFD для пешеходной ветровой среды вокруг зданий.

[11] Пешеходная ветровая среда вокруг зданий. стр.112

[12] AS/NZS 1170.2:2011 Действия по проектированию конструкций. Часть 2. Воздействие ветра. Раздел 4.2

[Heier-13] Jump up to: ^а ^б Хейер, Зигфрид (2005). Сетевая интеграция систем преобразования энергии ветра . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 45. ИСБН 978-0-470-86899-7 .

[14] Харрисон, Роберт (2001). Большие ветряные турбины . Чичестер: Джон Уайли и сыновья. п. 30. ISBN 978-0-471-49456-0 .

[Lubosny-15] Любосный, Збигнев (2003). Работа ветровых турбин в электроэнергетических системах: расширенное моделирование . Берлин: Шпрингер. п. 17. ISBN 978-3-540-40340-1 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]