Вычислительная аэродинамика строительных сооружений. Задачи и методы

2/2011 вестник 2/20L]_МГСУ

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ АЭРОДИНАМИКА СТРОИТЕЛЬНЫХ СООРУЖЕНИЙ. ЗАДАЧИ И МЕТОДЫ

COMPUTATIONAL AERODYNAMICS OF BUILDING CONSTRUCTIONS. PROBLEMS AND METHODS

1 2 2 2 С.В.Гувернюк , О.О.Егорычев , С.А.Исаев , О.И.Поддаева ,

Н.В.Корнев3, А.Е.Усачов4

S.V.Guvernyik1, O.O.Egorichev2, S.A.Isaev2, O.I.Poddaeva2,

N.V.Kornev3, A.E.Usachov4

'ИМех МГУ, 2МГСУ, 3Университет Ростока, 4МК ЦАГИ

Обсуждаются преобладающие тенденции в численном и физическом моделировании ветрового воздействия на строительные сооружения. Анализируется опыт разработки и использования пакетных технологии.

Prevailing tendencies in numerical and physical simulation of wind influence on building constructions are discussed. Experience of development and use ofpackage technologies is analyzed.

Введение. Актуальность проблем моделирования в строительной аэродинамике обусловливается интересом строителей к обоснованию концепций градостроительства, экспертизе новых строительных проектов и мониторингу в районах перспективной застройки, в особенности высотными сооружениями. Ветровое воздействие на тела плохообтекаемой формы давно является объектом внимания специалистов по ветровой инженерии (wind engineering). Адекватное моделирование ветрового потока с формирующимся под влиянием орографической шероховатости атмосферным пограничным слоем традиционно осуществляется в специальных метеорологических трубах с длинной рабочей частью. Для получения в обычных аэродинамических трубах сдвигового профиля скорости типа приземного пограничного слоя требуются, например, специально подобранные поперечные решетчатые конструкции. К сожалению, в последнее время наблюдается тенденция подмены физического эксперимента расчетами, проводимыми, подчас, непрофессиональными аэродинамиками с помощью стандартных пакетов, при этом численные прогнозы не имеют достаточных обоснований и, в основном, описывают лишь общую структуру воздушных потоков в окрестности сооружений. В этой связи представляется важной кооперация аэродинамиков экспериментаторов и расчетчиков со строителями для решения задач строительной аэродинамики с особым вниманием к верификации разрабатываемых подходов к моделированию [1]. Есть характерные особенности, которые выделяют рассматриваемую область аэродинамики, - мезо и макромасштабные модели нестационарных вихревых приземных потоков с высокими порядка 106-107 числами Рейнольдса и с сильным влиянием орографии местности - ее рельефа и шероховатости. А с другой стороны, задачи

строительной аэродинамики не относятся к задачам с предельными Re, как, например, в судостроении (108-109) или в прогнозировании погоды (1010).

В статье представляется вычислительная аэродинамика строительных сооружений на основе многоблочных вычислительных технологий (МВТ) и мезомасштабных моделей окружающей среды, а также иллюстрируется применение пакета VP2/3 (скорость-давление, двумерная и трехмерная версии) для решения задач строительной аэродинамики. Проведенные исследования во многом опираются на тридцатипятилетний опыт численного моделирования на основе решения уравнений Навье-Стокса и Рейнольдса с замыканием последних с помощью дифференциальных моделей турбулентности. В монографии [2] 1989г. не только заложен базис расчетных методов, получивших в дальнейшем развитие в МВТ, но также проанализированы способы управления обтеканием тел за счет преднамеренного формирования около них крупномасштабных вихревых структур. Особо следует подчеркнуть актуальность решения проблем ветроэнергетики в контексте развития новых схем высотных сооружений.

Разработка пакетных технологий на примере пакета УР2/3. На оксфордской конференции по численным методам в механики жидкости в 1998г. среди приоритетных направлений отмечались моделирование турбулентности и совершенствование мезомасштабных моделей окружающей среды. В минувшее десятилетие указанные темы получили развитие в сочетании с разработкой многоблочных вычислительных технологий и пакета VP2/3 [3-5]. Их несомненное достоинство состоит в улавливании разномасштабных элементов структуры отрывного течения на совокупности сеток простой топологии соответствующего масштаба, накладываемых друг на друга. В результате достигается не только значительная экономия сеточных ресурсов, но и повышение точности решения за счет размещения сеток только в желательных местах (определяемых интерактивно) с настройкой на воспроизводимую картину течения. Так, например, хорошее разрешение пристеночной области течения за счет введения отдельной мелкой сетки позволило без существенных затруднений перейти на современные низкорейнольдсовые модели турбулентности, такие как модель переноса сдвиговых напряжений Ментера (MSST) и модель вихревой вязкости Спаларта-Аллмареса (SA). Количество вводимых сеток неограниченно и в пакете VP2/3 средствами объектно-ориентированного программирования осуществляется их автоматическое соединение и установление связей между ними. Безусловно, введение дополнительной сетки, связанной с той или иной гидродинамической (или физической) особенностью течения (поля характеристик), настройка ее на соответствующий масштаб осуществляются в ходе получения предварительного решения. Важную роль при этом отводится интерполяции данных с сетки на сетку и не только на этапе подготовки к решению задачи.

Постепенно многоблочный подход был обобщен для анализа пространственных отрывных течений; для интерпретации нестационарных, в основном циклических режимов, в том числе при использовании скользящих сеток; для расчета конвективного теплообмена около луночных рельефов, в пакетах труб со струйными и вихревыми генераторами, в том числе при движении неоднородных сред (с переменными физическими свойствами типа масел). При этом развиты оригинальные подходы к интерпретации периодических граничных условий. Особо следует отметить развитие МВТ для расчета до-, транс-, сверх- и гиперзвуковых отрывных течений со скачками уплотнения. Среди получивших развитие мезомасштабных моделей отмечаются следующие

• прогнозирование задымленности залов метрополитена при пожаре в вагоне поезда (с 1999);

2/2п11 вестник

_2/20u_мгсу

• система прогнозирования опасного сдвига ветра в районе аэропорта (с 2000);

• вентиляция автомобильных тоннелей (с 2001);

• проектирование ветродвигателей (с 2003);

• строительная аэродинамика (с 2006).

Развитие оригинальной расчетной методологии МВТ, реализованной в пакетной среде VP2/3, можно подытожить в следующем перечне отличительных особенностей.

• обобщенная (на несжимаемые и сжимаемые течения) процедура коррекции давления SIMPLEC в приращениях зависимых переменных на согласованных центрированных сетках; трактовка подхода Рхи-Чоу с константой 0.1

• моделирование турбулентности в рамках MSST (2003) с учетом влияния кривизны линий тока на вихревую вязкость с дополнительной константой 0.02 в подходе Роди-Лешцинера-Исаева

• оригинальные процедуры коррекции градиента давления и среднемассовой температуры при использовании периодических граничных условий

• сочетание пристеночных функций с граничными условиями для низкорей-нольдсовых моделей

• оригинальный подход к заданию входных граничных условий на основе предварительного решения погранслойной задачи, позволяющий избежать типичных скачков в решениях, характерных для фиксированных профилей скорости типа 1/7

• оригинальный подход к трактовке циклических процессов на основе осреднения полей, рассчитанных на периоде колебаний поперечной интегральной нагрузки

• автоматизированная интерактивная процедура согласования простых по топологии накладываемых с пересечением структурированных сеток, в том числе подвижных, настроенных на отображение многосвязных областей и разномасштабных характерных особенностей течения. Данный подход эквивалентен использованию адаптивных неструктурированных сеток, но отличается от него существенно меньшими вычислительными ресурсами, т.е. более экономичен. Он также обеспечивает надлежащую точность без измельчения сеток, т.к. автоматически разрешает масштабы уловленных гидродинамических особенностей

• распараллеливание МВТ в рамках систем с распределенной памятью (MPI) под WINDOWS и LINUX.

Верификация. Тестирование многопрофильного пакета VP2/3 проведено на комплексе задач, имеющих физические аналоги. При этом численные прогнозы сопоставляются не только с данными имеющихся экспериментов, но и с результатами специально выполненных испытаний на лабораторных установках ИМ МГУ, МГТУ им. П.Э.Баумана, СПбГПУ, ФТИ им. А.Ф.Иоффе, ИТФ СО РАН и др. Отдельно следует отметить сравнительный анализ результатов, полученных с помощью различных пакетов (VP2/3 и Fluent).

Обтекание кубического тела на плоской стенке - это тестовая задача, входящая во все каталоги (например, в ECCOMAS). Данные по его нестационарному турбулентному обтеканию служат для анализа адекватности численных подходов RANS, URANS, LES, DES. Однако многообразие экспериментов, выполненных в разных условиях, не всегда учитывается расчетчиками. В данной работе выполнен численный тест по классическому физическому эксперименту Кастро и Роббинса [6]. Куб располагается на плоскости. На основе параллельного решателя VP2/3 рассчитывается выход нестационарного обтекания на автоколебательный режим при Re=l04- 106. Возникает сложный циклический процесс вихреобразования, аналогичный вихревой дорожке Кармана за цилиндром. Осредняя по периоду колебаний поперечной силы, действующей на

кубик (St=0.1), получаем симметричные картины распределений давления спереди и сзади кубика. Над кубом и за ним имеет место разрежение, вызывающее сильное возвратное течение. Интенсивная турбулизация происходит в вихревых структурах перед кубом и в сдвиговом слое над ним. Рассчитанные распределения (в продольной (а) и поперечной (б) плоскостях) поверхностного давления вполне удовлетворительно согласуются с экспериментами величинами (рис. 1). Таким образом, показана приемлемость подхода URANS, реализованного в параллельном пакете VP2/3 и основанного на использовании МВТ в сочетании с модифицированной новейшей MSST.

0.8 Н-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г

В качестве примера определения нестационарных аэродинамических нагрузок и полей скорости при ветровом воздействии на спроектированные сооружения рассматривается обтекание комплекса зданий "ЭКО". В частности демонстрируется отсутствие крупных устойчивых по направлениям ветра застойных зон с большой степенью заторможенности, что свидетельствует об удовлетворительной «проветриваемости» комплекса (рис. 2).

2/2011

вестник _мгсу

Учет рельефа местности и размещенных на ней строений на формирование сдвига ветра. Оцифровка местности. Расчет воздушного потока при обтекании рельефа местности, в частности, в окрестности аэропортов основывается на развитых алгоритмах численного моделирования отрывного турбулентного обтекания тел несжимаемой жидкостью и обусловливается переходом от решения задач внешней и внутренней аэродинамики мини- и макрообъектов к мезомасштабным моделям окружающей среды. Важно подчеркнуть, что разрабатываемый с начала 90-х гг подход к моделированию ветрового обтекания содержащего аэродром элемента земной поверхности сохраняет базовые черты виртуального аэродинамического эксперимента, когда исследуемый рельеф помещается в рабочую часть аэродинамической трубы и производится его обдувка при близким к натурным условиях. В отличие от физического аналога он может использоваться при значительно более высоких числах Рейнольдса (свыше 105). Первоначальный вариант имитационного комплекса на базе моноблочных сеток был применен для прогнозирования ветровой обстановки в окрестности аэропорта "Пулково" [4]. Модифицированный вариант пакета, базирующийся на многоблочных вычислительных технологиях и отличающийся более высокой точностью прогнозов, создан специально для расчета ветровых режимов в окрестности аэропорта г.Нальчик. В [4] рассматривается решение сопряженных задач аэродинамики окружающей среды и динамики движения воздушного судна на этапе взлета-посадки. Проведенный траекторный анализ позволил оценить степень опасности сдвига ветра, а также предложить бортовую систему его оповещения. Следует отметить, что на данном круге задач отработан подход к моделирования формирования ветра вблизи земного рельефа, легко переносимый на задачи архитектурно-строительной аэродинамики.

Актуальные проблемы. В заключение предлагается программа научного направления по архитектурно-строительной вычислительной аэродинамике,

1) аэродинамика и акустика строительных сооружений с учетом влияния рельефа местности на структуру приземного пограничного слоя, проведение систематических исследований на основе сочетания методов численного и физического моделирования;

2) решение сопряженных задач строительной аэродинамики с учетом упругости конструкций, проницаемости навесных фасадных систем, деформаций, колебаний и разрушения их элементов; 3) решение базисных модельных задач динамического нагру-жения и сейсмических воздействий на высотные сооружения; 4) решение сопряженных задач аэротермодинамики строительных сооружений с целью повышения их энергоэффективности, учета влияния ветра на системы вентиляции и кондиционирования помещений; 5) использование принципов управления потоком для разработки эффективной стратегии

конструирования оптимального по аэродинамическим нагрузкам архитектурно-строительного ансамбля с минимальным воздействием на окружающую среду.

Работы выполнены при финансовой поддержке РФФИ (№11-01-00032), Совета по грантам Президента Российской Федерации для поддержки молодых ученых, ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы.

Литература

1. Егорычев О.О., Исаев С.А., Гувернюк С.В., Судаков А.Г., Усачов А.Е. Разработка и применение многоблочных вычислительных технологий и мезомасштабных моделей окружающей среды для решения задач строительной аэродинамики // Сб. тр. Второй науч.-практ. Конф. «Теория и практика расчета зданий, сооружений и элементов конструкций. Аналитические и численные методы». М., МГСУ, 2009. С.127-138

2. Белов И.А., Исаев С.А., Коробков В.А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. Л.: Судостроение, 1989

3. Управление обтеканием тел с вихревыми ячейками в приложении к летательным аппаратам интегральной компоновки (численное и физическое моделирование) / Под редакцией А.В.Ермишина и С.А.Исаева. М.: МГУ, 2003

4. Быстров Ю.А., Исаев С.А., Кудрявцев Н.А., Леонтьев А.И. Численное моделирование вихревой интенсификации теплообмена в пакетах труб. СПб, Судостроение, 2005

5. Бабаскин В.В., Исаев С.А., Метов Х.Т., Пышный И.А., Чепига В.Е. Сдвиг ветра в летной эксплуатации (система оповещения). СПб, Академия гражданской авиации. 2002

6. Castro I.P., Robins A.G. The flow around a surface-mounted cube in uniform and turbulent streams // J. Fluid Mech. 1977. V.79. Pt. 2. P.307-335

References

1. Egorychev O.O., Isaev S.A., Guvernyuk S.V., Sudakov A.G., Usachev A.E. Development and application of multiblock computational technologies and mesoscale models of the environment for building aerodynamics problem solving./ / Collected papers of the second scientific-practical conference "The theory and practice of calculating the buildings, structures and structural elements. Analytical and numerical methods. M., MGSU, 2009. P.127-138

2. Belov I.A., Isaev S.A., Korobkov V.A. Problems and methods of calculation of separated flows of an incompressible fluid. L.: Shipbuilding, 1989

3. Controling of flow around bodies with vortex cells in the application to the aircraft integral layout (numerical and physical modeling) / Edited by Yermishina A.V. and Isaev S.A.. M.: MSU, 2003

4. Bystrov Y.A., Isaev S.A., Kudryavtsev N.A., Leont'ev A.I. Numerical simulation of vortex heat transfer in batches of tubes. St. Petersburg, Shipbuilding, 2005

5. Babaskin V.V., Isaev S.A., Metov H.T., Pishnii I.A., Chepiga V.E. Wind shear in the flight manual (warning system). St. Petersburg, Civil Aviation Academy. 2002

6. Castro I.P., Robins A.G. The flow around a surface-mounted cube in uniform and turbulent streams // J. Fluid Mech. 1977. V.79. Pt. 2. P.307-335

Ключевые слова на русском языке: вычислительная аэродинамика, ветер, строительные сооружения, нагрузки, пакетные технологии, уравнения Рейнольдса, модели турбулентности,

Key words: computational aerodynamics, wind, building construction, loads, package technologies, Reynolds equations, model of turbulence

e-mail авторов: isaev3612@yandex.ru, nikolai.kornev@uni-rostock.de

Рецензент: Береславский Эдуард Наумович, доктор физико-математических наук, профессор, Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации