Экспериментальное исследование течения внутри воздушного зазора навесной фасадной системы

3/2011_МГСу ТНИК

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ВНУТРИ ВОЗДУШНОГО ЗАЗОРА НАВЕСНОЙ ФАСАДНОЙ СИСТЕМЫ

FLOW EXPERIMENTAL RESEARCH INSIDE AIR GAP OF PERMEABLE RAIN-SCREEN WALLS SYSTEM

П.В. Леденев, Д.В. Мурашов P.V. Ledenev, D.V. Murashov

НИИСФ, НИИ механики МП

Экспериментально исследовано течение внутри воздушного зазора модели фасадной системы. Установлено влияние конструкционных параметров фасадной системы на формирование давления внутри воздушного зазора.

Flow in air gap of rain-screen walls system model is experimentally researched. Influence of constructional parameters offacade system on value ofpressure in an air gap is determined.

Введение. Навесной фасад с вентилируемой воздушной прослойкой представляет собой стену здания утепленную с наружной стороны слоем пористого утеплителя (минеральной ваты или стекловаты), который защищен со стороны окружающей среды экраном из плитного материала, как правило, содержащего многочисленные просветы (щели). В воздушной прослойке между слоем утеплителя и облицовкой, вследствие законов естественной конвекции и внешнего ветрового воздействия, происходит движение воздуха. Аэродинамические воздействия на плитки внешнего ограждения НФС зависят от распределения внешнего и внутреннего давлений. В настоящее время отсутствуют обоснованные нормативы для расчета давления внутри воздушного зазора НФС.

Целью работы является методическое исследование влияния параметров модели фасадной системы и характеристик набегающего потока воздуха на результирующее давление внутри воздушного зазора модели.

Впервые получены данные, показывающие влияние порывистости внешнего потока на результирующее ветровое воздействие.

Экспериментальная модель. Объект исследования представляет собой квадратную панель, размером 0.5x0.5м2, состоящую из сплошной и перфорированной квадратных пластин, между которыми имеется регулируемый воздушный зазор. Торцевые стенки панели - воздухонепроницаемы (рис. 1).

Взаимодействие воздушного зазора с окружающей средой осуществляется только через отверстия перфорированной пластины. Модель снабжена двумя приемниками давления, один из которых расположен внутри воздушного зазора (Д2, рис. 1), другой - на внешней стороне перфорированной пластины (Д1, рис. 1). Длина трасс между приемниками и датчиками давления была выбрана достаточно малой, чтобы не влиять на пульсационную составляющую сигнала.

Эксперименты выполнены в аэродинамической трубе А-6 НИИ Механики МГУ [1] и на струйном стенде ГИС, обеспечивающем формирование ветровых порывов.

Я ь____о F

Д2

*

дх

/-;-г

Д1

W

да '

и

Рис. 1. Эскиз модели вид спереди

Испытания в аэродинамической трубе. В программе проведения испытаний в аэродинамической трубе A-6 предусмотрено:

- изменение геометрической проницаемости cr=SJS внешней стенки (где So -суммарная площадь отверстий, S - площадь поверхности);

- изменение относительной толщины воздушного зазора r/=h/lo (где lo - расстояние между отверстиями, h - толщина воздушного зазора);

- изменение скорости набегающего потока - 20м/с, 25м/с, 30м/с, 35м/с, что соответствует изменению числа Рейнольдса от 6.6-105 до 1.1-106;

- изменение угла атаки набегающего потока - 0° и 180°. В положении 0° модель ориентирована перфорированной поверхностью по потоку, 180° - против потока.

Выбор параметров модели (геометрической проницаемости, толщины воздушного зазора, толщины облицовочного слоя) обусловлен конструкцией НФС натурных объектов.

По результатам испытаний в аэродинамической трубе A-6 построены зависимости перепада (разности между внешним и значением внутри воздушной прослойки) безразмерного коэффициента давления Cp (1), определяющего значение ветровой нагрузки на элементы облицовки НФС, от скорости набегающего потока (числа Рейнольдса) для различных вариаций экспериментальной модели согласно программе проведения испытаний.

C =

Р - Р0

где р0 - плотность воздуха; р0 - статическое давление; р - полное давление; и0 - скорость набегающего потока.

Увеличение геометрической проницаемости а внешнего слоя приводит к уменьшению перепада давления (ЛСр), действующего на элементы облицовки не зависимо от скорости набегающего потока V, относительной толщины воздушного зазора щ (рис. 3). Уменьшение перепада происходит за счет лучшего выравнивания давлений

снаружи и внутри фасада, обеспеченного повышением расхода через облицовочный слой вследствие увеличения его геометрической проницаемости.

Рис. 2. Зависимость нагрузки на облицовочный слой от скорости набегающего потока

Увеличение относительной ширины ^ воздушной прослойки приводит к увеличению значению перепада ACp. Эффект тем заметнее, чем выше геометрическая проницаемость облицовочного слоя (рис. 2).

Установлено, что параметры НФС (геометрическая проницаемость, толщина воздушного зазора) не оказывают влияние на распределение внешнего давления. Этот вывод носит принципиальный характер, т.к. подтверждает теоретическую возможность разделять задачи внешнего обтекания и внутреннего течения на независимые.

-> «= Р^жом отрынноir юны, uiippiwi|гюра5.5мм

Hi

il. V;

а» -Зи «то. Эту

-w—l U

—а—0« «що.о-Vj

Hi —<— JJ

Рис. 3. Зависимость внешнего давления от скорости набегающего потока (числа Рейнольдса), режим отрывной зоны (угол атаки 180°), ширина воздушного зазора 5.5мм

Испытания на струйном стенде. Моделирование порывистости внешнего потока осуществлялось на струйном стенде ГИС, содержащем генератор импульсных струй. ГИС представляет собой диффузор с подвижной продольной перегородкой, перемещающейся в режиме автоколебаний. Скоростной напор струи в порыве достигал 400 Па.

В зарубежной литературе [2] описаны системы, в которых может возникать асин-хронность внешних и внутренних колебаний давления на ограждении НФС. Природа асинхронных колебаний могла быть связана с влиянием упругих прогибов в конструкции НФС, либо - сжимаемости среды. В мировой практике НФС является упругой конструкцией, в которой внутренний слой способен прогибаться под действием ветрового воздействия [2, 7]. Именно этим объясняется наличие эффекта сдвига фаз в работе [2]. Конструкции НФС, применяемые на территории РФ допускают реализацию обоих механизмов возникновения асинхронных колебаний внешнего и внутреннего давления.

Целью проведения экспериментальных исследований на стенде ГИС и было определение влияния сжимаемости среды на характер воздействия на облицовочную панель. Основное внимание было уделено изучению влияния периодических внешних воздействий разной частоты на результирующую нагрузку по поверхности перфорированной панели (рис. 4).

Программа проведения испытаний с использованием установки ГИС включает:

- изменение геометрической проницаемости ст=8о/8 внешней стенки (где Бо -суммарная площадь отверстий, Б - площадь поверхности);

- изменение частоты пульсаций скорости набегающего потока.

Результатами исследования стали зависимости перепада давления АСр по поверхности панели от числа Струхаля (2).

Бк = ^

и

и 0

где Б - расстояние между щелевыми отверстиями; и0 - скорость набегающего потока; со - частота колебаний внешнего воздействия.

Рис. 4. Внешнее и внутреннее давление при периодическом нагружении

При неравномерном распределении внешнего давления величина геометрической проницаемости перестает влиять на значение перепада давления АСр (рис. 4). Обусловлено это возрастанием локальной скорости протекания через отверстия панели, вызванное высоким градиентом внешнего давления. Это означает и соответствующее увеличение числа Рейнольдса Яв, а значит и ослабевание вязких сил (сил трения), обратно пропорциональных геометрической проницаемости панели.

Наблюдается возрастание перепада давления АСр от числа Струхаля Бк. Подобный результат не может быть получен в рамках математической модели несжимаемой среды, поскольку в условиях несжимаемости среды любое изменение давления моментально передается во все точки пространства, а, значит, нагрузка на облицовочные элементы не будет зависеть от частоты внешнего воздействия.

Рис. 5. Зависимость нагрузки на облицовочный слой от частоты пульсаций набегающего потока

ВЕСТНИК 3/2011

Заключение. Результаты проведенных экспериментальных исследований, существенным образом дополняют опубликованные ранее [2-7] данные. Получены зависимости давления внутри воздушной прослойки от параметров модели и характеристик набегающего потока. Установлено влияние частотных характеристик набегающего потока на результирующую нагрузку. Указывается на важность учета эффекта сжимаемости среды при математическом моделировании течений около тел, экранированных проницаемой оболочкой.

Полученные результаты имеют важное прикладное значение и будут использованы в дальнейшем для построения математической модели и верификации результатов численных расчетов.

Авторы выражают благодарность С.В. Гувернюку за постановку задачи и ценные замечания по работе, а также А.А. Синявину и А.Ф. Зубкову, оказавшим содействие при подготовке и проведении на аэродинамической трубе А-6 [1] и струйном стенде ГИС.

Литература

1. Аэродинамические установки Института механики Московского университета / под ред. Г.Г. Черного, А.И. Зубкова, Ю.А. Панова. - М.: Изд-во МГУ, 1985. - 44 с.

Literatura

1. Aerodynamic installations IM MSU / under edition. G.G. Cherniy, A.I. Zubkov, Ю.А. Panov

- M.: MSU, 1985. - 44 p.

2. Baskaran A. Review of Design Guidelines for Pressure Equalized Rainscreen Walls / Appu-pillai Baskaran - National Research Council Canada, Institute for Research in Construction, Internal Report № 629, 1992. - 93p.

3. Brown W.C. Designing Exterior Walls According to the Rainscreen Principle / W.C. Brown, G.A. Chown, G.F. Poirier, M.Z. Rousseau - National Research Council Canada, Institute for Research in Construction, Construction Technology Update No 34, 1999 - 8p.

4. Choi C.C. Study on pressure-equalization of curtain wall system / Edmund C.C. Choi, Zhi-hong Wang // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1998. - vol. 73 - P. 251-266.

5. Gerhardt H.J. Wind loads on wind permeable facades / H.J. Gerhrdt, F. Janser // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1994. - vol. 53 - P. 37-48.

6. Inculet D.R. Pressure-equalized rainscreens: A study in frequency domain / D.R. Inculet, A.G. Davenport // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1994. - vol. 53 - P. 6387.

7. Kumar K.S. Field measurement data of wind loads on rainscreen walls / K. Suresh Kumar, T. Strathopoulos, J.A. Wisse // Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 2003. - vol. 91

- P. 1401-1417.

Ключевые слова: навесная фасадная система, экспериментальное исследование, аэродинамическая труба, модель, воздушный зазор, внешнее давление, внутреннее давление, перепад давления.

Key words: permeable rain-screen walls system, experimental research, wind tunnel, model, air gap, exterior pressure, internal pressure, drop of pressure.

127238, Москва, Локомотивный проезд, 21 Тел. (495) 482-40-76, факс (495) 482-40-60 ledenev@imec.msu.ru, murashov@imec.msu.ru