Численное моделирование задач строительной аэродинамики. Разработка методик расчета ветровых воздействий и исследование реальных объектов

ВЕСТНИК 4/2010

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАДАЧ СТРОИТЕЛЬНОЙ

АЭРОДИНАМИКИ. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК РАСЧЕТА ВЕТРОВЫХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ РЕАЛЬНЫХ

ОБЪЕКТОВ

NUMERICAL SIMULATION IN CIVIL AERODYNAMICS. DEVELOPMENT OF METODOLOGY OF CALCULATION OF WIND EFFECTS AND STUDY OF REAL OBJECT

A.M. Белостоцкий, С.И. Дубинский, И.Н. Афанасьева Alexander M. Belostotsky, Sergey I. Dubinsky, Irina N. Afanasyeva

ГОУ ВПО МГСУ

Настоящая статья посвящена вопросам численного моделирования задач строительной аэродинамики.

Methodology of calculating the regulatory parameters of wind effects (average and fluctuation components of loads, the peak pressures on the enclosing structures, the level of pedestrian comfort, etc.) on high-rise buildings &complexes, based on the numerical solution of three-dimensional equations of Fluid Dynamics (RANS, URANS and DES) was developed and realized in the form of a specialized module for ANSYS software. Another problems of Civil Aerodynamics is discussed as well.

Выполненные разработки и исследования по численному моделированию широкого спектра задач строительной аэродинамики (ветровые воздействия, снегоперенос и отложения, распространение вредных выбросов, комфортность и др.) демонстрируются для актуальной темы ветровых воздействий на высотные здания и комплексы. Существующие нормативные документы и методики не отражают специфику ветровых воздействий на рассматриваемые уникальные объекты, особенно в условиях их компактного расположения. Для восполнения этого пробела разработана методика расчета нормативных параметров ветровых воздействий (средней и пульсационной составляющих нагрузок на несущие конструкции, пиковых давлений на ограждающие конструкции, уровня пешеходной комфортности и др.) на высотные здания-комплексы на базе численного решения трехмерных уравнений гидрогазодинамики (Навье-Стокса в приближении Рейнольдса, модели турбулентности RANS, URANS и DES) с дискретизацией методом конечных объемов, позволяющая адекватно учитывать важные факторы - направления и профиль ветровых потоков, рельеф местности, окружающую застройку и последовательность возведения.

Разработанная практическая методика оценки пиковых расчетных нагрузок на фасадные конструкции (P*max и P*min) по результатам стационарных расчетов энергии турбулентных пульсаций TKE и с учетом осредненных коэффициентов обеспеченности 0max И 9min.

Для предварительных расчетов допустимо принимать 0min=6 и 0max=3 (по рекомендациям NBC); уточнение значений выполняется по результатам аналогичных нестационарных расчетов по соотношениям:

4/2010 ВЕСТНИК _4/2010_МГСУ

@max (Pmax - P)/ @min (P - Pmin)/ ^р

где Pmax, Pmin и P - вычисленные значения минимумов, максимумов и среднего давлений в точке поверхности, ар - среднеквадратическое отклонение (стандарт) давлений.

Пульсационная составляющая нагрузок на конструкцию может быть получена в результате интегрирования по поверхности пульсационной составляющей давлений P

1 пульс

Основные расчетные соотношения методики:

P = p V2 /2; TKE =3/2 (I  V)2 = 3-P/р 12;

I = (р  TKE / abs (P)/3)1/2; ap = (I2+2-I)  abs(P);

P* = P + a -в  P* = P - a - в

i max i ^p wmax> i min i ^p wmin

P = (P* - p* ) .v/2

i пульс H max i min /

здесь: ap - среднеквадратичное отклонение (стандарт) давлений P, I - интенсивность турбулентности (стандарт пульсаций скорости), V - локальная скорость ветра, v - коэффициент корреляции давлений на поверхностях (для предварительных оценок по СНиП, далее вычисленный из анализа нестационарных результатов).

Методика реализована в форме специализированного программного модуля к выбранному, в качестве базового, универсальному программному комплексу ANSYS CFX. Для решения возникающих большеразмерных задач (до 100-200 млн. ячеек и неизвестных) используются эффективные параллельные вычисления кластерной организации.

Проведена верификация методики и ее программной реализации на основе сравнения с результатами испытаний моделей в аэродинамических трубах (тестовые задачи типовых конфигураций, комплекс "Федерация" и МФК "Сити-Палас" в ММДЦ "Москва-Сити" и др.) и с данными натурных замеров для группы высотных зданий в реальной застройке (Токио) (см. таблица 1). Установлена приемлемая для практики точность результатов расчета средней составляющей ветровых нагрузок для зданий сложных форм при нестационарных и стационарных расчетах. Для "уточненного" определения пульсационной составляющей нагрузки рекомендуется выполнять нестационарный расчет с использованием моделей турбулентности DES или URANS. Для сложных реальных застроек наблюдается значимое рассогласование результатов по отрицательным давлениям с данными испытаний в аэродинамических трубах. Пульса-ционную составляющую ветровых нагрузок предложено определять с использованием верифицированного "инженерного" подхода, основанного на оценке турбулентной энергии пульсаций (по результатам стационарного расчета), максимальных коэффициентов обеспеченности и нормативных параметров корреляции нагрузок. Этот подход применим и при определении ветровых нагрузок на фасадные конструкции. Возможно определение локальных зон пиковых давлений, которые не могут быть надежно идентифицированы в практике испытаний в аэродинамических трубах. Особенно эффективна разработанная численная методика, как показали результаты решения верификационных задач, при оценке пешеходной комфортности. При этом исключается масштабный эффект, снижающий при испытаниях точность замеров потоков вблизи поверхности.

Разработанная методика использована для трехмерных стационарных и нестационарных расчетов ветровых воздействий для ряда проектируемых и строящихся высотных комплексов (ММДЦ "Москва-Сити", ЖК "Аквамарин", МФК "Газойл-Сити", ЖК "Зодиак", ЖК "Скай форт" и др.), а также комплекса зданий МГСУ.

ВЕСТНИК МГСУ

4/2010

ИИ

•лн

ММ

fm*ум

Средние зиашия Ср

Максимальные значения Ср

МНКИМЯЛЦЧИ* 1НЛЧВННЯ Ср

Рис. 1. ЖК "Зодиак". Нижняя огибающая минимальных давлений (Па). Оценка коэффициентов обеспеченности по результатам нестационарных расчетов при различных начальных условиях. Для положительных давлений до 4, для отрицательных - до 8

0 для отрнцятвльныж длнленнм

X, м

Рис. 2. МФК "Сити-Палас" в составе ММДЦ "Москва-Сити" (слева). Восточный ветер.

Эпюры средних давлений

Выявлен и проанализирован ряд реальных аэродинамических эффектов, которые не определяются действующими нормативными методиками. Применительно к объектам исследования конкретизирована и обеспечена выполненными разработками концепция определения ветровых воздействий: 1) "предварительное" численное моделирование с определением наиболее опасных/характерных направлений ветра, оценка необходимости испытаний в аэродинамической трубе (2); 2) испытания в аэродинамической трубе (углы ветра, расположения и количества датчиков по рекомендациям 1); 3) уточненное численное моделирование с сопоставлением характерных параметров с результатами испытаний.

Предложена структура системы мониторинга высотных зданий-комплексов с учетом одновременного замера характеристик ветра и перемещений/ускорений, базирующаяся на разработанной методике. Методика также успешно используется в практике обучения студентов и аспирантов профильных специальностей МГСУ по дисциплине "Вычислительная аэрогидромеханика".

4/2010 М1 ВЕСТНИК

Таблиц;

"Матрица i '']iii']'HK iiшп рлфабо!ainioii методики

Описание з адачи аэродинамики "Эталоны" Методику модель тур 6. Модепц тыс. ячеек К онтр опируемые параметры Бремя счета, час Раг.:и>1-:деШ'1е, %

Призма квадратная; двумерная постановка Экспер. Lyn DE3 20 Средние Сх, Су, Ср, St, Vxf Vy ¡0 5-20%

Интерференция двух квадратных призм, двумерная постановка Экспер. С.Г.Кузнецов DES 50 Средние Сх и нулъсещш Су 20 5% средние 15% пуль caifli 13нные

Цилиндр, двумерная постановка (Ре=3900) Расчеты Liaw Экспер. Norberg DE3 40 Средние Сх, Су, Ср, St, Vxf Vy, 20 '5Л0% (IIпа ф 5-20%}:

Призма 2:1:1 Экспер. Tamura SST 220 V., TKS Cp Щ 3-5% (для?) 10-30%' (дли ТЩ1

Куб Натур. замеры Silsoe Экспер. С astro DES 120 Cp 40. ..80 10-30%

Высотное здание в мапаэтажнойз астрайке Экспер. AIJ SST 200 450 (срядниг и ) 1 г 5-11]%, средние 10-21]%, пикаеые

Застройка района Синдзюку, г. Токио Натур, замеры Экспер. AIJ SST 19 700 V 15 10-50%'

МФК "Сити-П апас" ММДЦ 11 Москв а-С ити" Экспер. ВМТ SST DES 3 200 Cp (cp-lfal&XCj, Lj (¡средние u тжсяък) б.-'SST 200 -DES 5-10% средние 10-30%пуш>сяц.

МФК "Федерация" ММДЦ 11 Москв а-С ити" Экспер. RVTOI SST DES 2 400 Cp (cpidtiup- u emend. yyrhci:e.$.iu) 4 - SST 160-DES 5-10% средние 10-30% лупьсасг.

Исследование проводилось в рамках Гранта НШ-8684.2010.8 Президента Российской Федерации для государственной поддержки ведущих научных школ Российской Федерации «Многоуровневые численные, аналитические и экспериментальные методы исследования прочности зданий и сооружений с учетом конструктивных и физических особенностей» на 2010-2011 гг.

Литература

1. ANSYS CFX 11.0. Руководство пользователя. // Canonsburg, 2009.

2. Дубинский С.И. Численное моделирование ветровых воздействий на высотные здания и комплексы. Дис. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук: 05.13.18. - МГСУ. М., 2010. - 199 с.

3. Дубинский С.И. Численное моделирование ветровых воздействий на комплекс "Федерация" "Москва-Сити". // Int. Jorn. of Computational Civil and Structural Engineering, 2008, c. 58-59.

The literature

1. ANSYS CFX 11.0. User's Guide. // Canonsburg, 2009.

2. Dubinsky S.I. Numerical modeling of wind effects on tall buildings and complexes. PhD Thesis. 05.13.18. MSUCE, Moscow, 2010, 199 pages (in Russian).

3. Dubinsky S.I. Numerical simulation of wind loads on tall buildings at "Moscow-City". // Int. Jorn. of Computational Civil and Structural Engineering, 2008, pp. 58-59 (in Russian).

Ключевые слова: строительная аэродинамика, численное моделирование, ветровые воздействия, метод конечных объемов, программные комплексы, расчеты строительных объектов Keywords: civil aerodynamics, numerical simulation, wind effects, finite volume method, software, structural analysis

E-mail авторов: stadyo@stadyo.ru.; sergdubpodlipki@mail.ru. niccm@mgsu.ru. Рецензент: O.B.. Мкртычев профессор д.т.н.