8 Поправки, учитывающие направление ветра

При отклонении направления ветра от продольного и поперечного по отношению к рассматриваемому зданию более чем на 15° размеры и границы циркуляционных зон, а также характер движения воздушных потоков в них существенно изменяются. На крыше широкого здания возникают две наветренных и две подветренных зоны, возле узкого здания образуется единая зона, охватывающая, две подветренных стены. Движение воздушных потоков в циркуляционных зонах становится винтообразным, направленным вдоль подветренных стен в сторону движения ветра.

Рис. 2.9. Загрязненные зоны за моделями узких зданий при 90?, 75?, 60?, 45? и 15?.

Торцевые зоны превращаются в подветренно-торцевые либо поглощаются единой зоной. В зонах подпора движение воздуха также становится винтообразным, размеры этих зон уменьшаются и при определенных направлениях ветра исчезают. Любую стену здания можно считать наветренной в тех случаях, когда отклонение направления ветра от перпендикуляра к плоскости данной стены не превышает 45°.

Поскольку в большинстве практических случаев приходится иметь дело с ветром, направленным под углом к плоскостям стен, целесообразно подробнее рассмотреть картину движения. воздушных потоков и переносимых или загрязняющих веществ.

На рис. 2.9 и 2.10 показаны зоны, загрязненные газом, который выбрасывается из внутреннего точечного источника 1, расположенного у подветренной стены здания (рисунки скопированы с фотографий, полученных в аэродинамической трубе при взаимодействии аммиака с подложкой, пропитанной специальным раствором). Поскольку газообразные примеси могут переноситься навстречу ветру только циркуляционными течениями, то по границам загрязненного пространства на экране вблизи торцевых стен зданий можно судить о положении границ циркуляционных зон.

На рис. 2.9а видно, что при поперечном обтекании здания газ от наветренной стены переносится к торцевым стенам, следовательно, единая циркуляционная зона возникает как результат срыва воздушного потока не только с наветренной кромки крыши, но и с наветренных кромок торцевых стен. При отклонении направления ветра от поперечного торцевая зона у стены, обращенной к ветру, исчезает, а зона у противоположной торцевой стены, наоборот, увеличивается в размерах. Граница (в плоскости земли) единой зоны из симметричной, имеющей форму полуэллипса, смещается и вытягивается в направлении ветра.

Рис. 2.10. Загрязненные зоны за моделями широких зданий при 30?, 45?, 60?.

При угле менее 15° или более 75° изменения в картине течений по сравнению с =0? или =90° невелики. В связи с этим, поперечным или продольным направлением ветра можно считать направление, находящееся в пределах =90° 15°. Направления ветра под углом, находящимся в пределах = 15° _ 75°, являются «косыми». При «косых» направлениях ветра с уменьшением угла от 75° до 45° в картине воздушных течений вблизи зданий возникают все более существенные изменения, которые при дальнейшем уменьшении угла до 0° сглаживаются и картина течений вновь становится симметричной. Основные изменения в картине течений в данных условиях заключаются в возникновении направленного вдоль циркуляционных зон осредненного течения воздушных масс от наветренных кромок к подветренным.

Вследствие этого собственно циркуляционные течения переходят в винтообразные. Об этом свидетельствует рис. 2.9 г, д и 2.10, на которых видно, что загрязненная зона не достигает торцевой стены, обращенной к ветру. Распространению примеси против ветра в данном случае препятствуют осредненные потоки воздушных масс.

Наблюдающиеся при поперечном обтекании зданий (в плане) циркуляционные (вихревые) кольца при косых направлениях ветра трансформируются следующим образом: размер кольца с наветренной стороны уменьшается, превращаясь в небольшую подветренно-торцевую зону; кольцо с подветренной стороны, наоборот, сначала увеличивается в размерах (при = 75?_45°), затем уменьшается, стремясь к размерам подветренной зоны, соответствующей продольному обтеканию здания.

Характер течений, возникающих вблизи здания при «косых» направлениях ветра, показан на рис. 2.11 (зарисовка визуализированных дымом потоков в аэродинамической трубе).

Рис. 2.11. Характер течений, возникающих вблизи здания при «косых» направлениях ветра при =30?, 45?, 60?.

В циркуляционных течениях можно выделить несколько характерных участков. Если здание широкое (в аэродинамическом смысле), то возникают наветренные зоны с винтообразным движением воздушных масс, торцевые зоны, подветренная зона, подветренно-торцевые зоны с винтообразным движением воздуха (рис. 2.11,а). При уменьшении угла в диапазоне от 90° до 0° (при некотором промежуточном его значении) широкое здание становится узким (если при =0° оно является узким), о чем свидетельствует занос дыма на крышу здания от источника, помещенного у подветренной стены. В воздушных потоках около узких зданий наблюдаются зоны с циркуляционным (торцевые) и винтообразным (единые) движением воздушных масс (рис. 2.11, б, в).

С изменением направления ветра изменяются размеры циркуляционных зон. Длина наветренной зоны уменьшается до нуля, одновременно зарождается и увеличивается в размерах наветренная зона, образующаяся в результате срыва потока с другой кромки крыши, обращенной к ветру (рис. 2.11,а). При некотором критическом значении эта наветренная зона сливается с подветренной, превращаясь в единую циркуляционную зону (если при =0° здание является узким) (рис. 2.11,б). Подветренная зона с уменьшением постепенно уменьшается и переходит в подветренно-торцевую; одновременно зарождается и возрастает в размерах подветренно — торцевая зона у другой подветренной стены. Размеры последней увеличиваются от нуля до размера подветренной зоны, соответствующей углу =0° (в случае, если здание в аэродинамическом смысле является широким). Наветренные торцевые зоны при =75° исчезают. Следовательно, все стены (с точки зрения аэродинамики течений, возникающих вблизи зданий) превращаются в подветренные или наветренные. Зона подпора при угле 75° также исчезает.

Для количественной оценки размеров циркуляционных зон при «косых» направлениях ветра могут быть использованы зависимости, полученные для продольного и поперечного обтеканий зданий, с соответствующими поправками.

Поправки вводятся на характерные размеры зданий. При вычислении размеров единой и подветренной зон в качестве длины здания здания следует принимать длину миделевого сечения, вычисляемую по формуле:

м, (2.37).

где _ расчетная длина здания при произвольном направлении ветра, м;

_ острый угол между направлением ветра и плоскостью наветренной стены, градус.

Длину наветренной и подветренных торцевых зон следует вычислять по проекции соответствующей стены на нормаль к направлению ветра. Расчетная длина здания в этом случае равна.

м. (2.38).

Расчетную ширину здания следует вычислять по формуле.

м. (2.39).

Расчетной длиной циркуляционной зоны при косых направлениях ветра является наибольшее расстояние от соответствующей наветренной стены (в плане) до границы этой зоны, измеряемое в направлении движения ветра. Длину единой и подветренной зон следует измерять вдоль прямой линии, совпадающем с направлением ветра и проходящей через точку пересечения осей симметрии здания. Длину наветренной зоны следует измерять от точки пересечения одной из осей симметрии здания с соответствующей стеной (в плане) до границы этой зоны. Подветренно-торцевую зону следует измерять от вершины угла, образованного наветренной и подветренной стенами, до конца зоны на поверхности подветренной стены.

Рассмотрим порядок расчета размеров циркуляционных зон при косых по отношению к стенам здания направлениях ветра на примере.

Рис. 2.12. Схематический рисунок к примеру расчёта.

Отдельно стоящее здание в форме параллелепипеда имеет размеры: высота Н = 5 м, ширина b=7,5Н, длина l = 10 Н. Толщина вытеснения набегающего потока ветра равна =0,425 м. Требуется определить размеры циркуляционных зон, возникающих при обтекании здания ветром под углом 90°, 0° и 45° к его разбивочным осям (рис. 2.12).

Определим размеры циркуляционных зон, возникающих при поперечном и продольном направлениях ветра. Для этих направлений в соответствующие формулы необходимо подставить длину здания, равную l= 10Н при = 90° и l= 7,5Н при 0°.

При поперечном направлении ветра здание является длинным, поскольку (l= 10Н) > 1,41H. По формулам для длинных зданий находим размеры наветренной и подветренной циркуляционных зон.

Длина наветренной зоны равна (формула (2.2):

.

Поскольку длина наветренной зоны меньше ширины здания (b=37,5м), здание является широким. Длина подветренной зоны равна (формула (2.3)):

lпв=4,8?5{1-exp[-0,4?100,68]=20,46 м.

Размеры наветренных торцевых зон у обеих торцевых стен одинаковы и равны (формула (2.11)):

=3,9•10?5{1-exp[-0,31(2?5/10/5)0,68]}=19,2 м.

При продольном направлении ветра здание является также длинным. Его длина (размер в поперечном ветру направлении) равна l=7,5Н, ширина равна b=10Н.

Определим длину наветренной зоны. Она равна.

lн=7,8?5{1-exp[-0,31?7,50,68]}exp[-1,3?0,0850,54]=19,5 м.

длина подветренной зоны при продольном обтекании здания равна:

lпв =4,8?5{1-exp[-0,4?7,50,68]=19,03 м.

При угле =45° циркуляционные зоны имеют наименьшие размеры. Расчетную длину здания для наветренных зон определим по формулам (2.38) и (2.39):

=10Hsin (90?-45?)=7,07H=35,35 м;

=7,5HSin (45?)=5,3H=26,5 м.

Наветренные зоны имеют длину:

=7,8?5{1-exp[-0,31(35,35/5)0,68]}exp[-1,3(0,425/5)0,54)]=19,1 м.

=7,8?5{1-exp{-0,31(26,5/5)0,68]}exp[-1,3?(0,425/5)0,54]=17,1 м.

Определим длину подветренной зоны. Расчетный размер здания равен (формула (2.38)):

lp=10?5?Sin (90?-45?)+7,5?5Sin (45?)=61,85 м.

На основании этого результата получаем:

Lпв=4,8?5{1-exp[-0,4(61,85/5)0,68]=21,4 м.

Этот размер зоны откладываем на чертеже вдоль прямой, проходящей через точку пересечения осей симметрии здания параллельно направлению ветра, от подветренной кромки крыши (рис. 2.12).

Определим размеры подветренно — торцевых зон, используя размеры здания, вычисленные при определении наветренных зон:

=2,4?35,35{1-exp[-0,4(2?5/35,35)0,68]}=13.22 м,.

=2,4?26,5{1-exp[-0,4(2?5/26,5)0,68]}=11,8 м.

Рис. 2.13. Зона распространения газа из источника, расположенного у подветренной стены модели узкого здания.

Размеры этих зон откладываем от вершин углов, образованных наветренными и подветренными стенами, вдоль подветренных стен.

Высоты подветренно — торцевых зон пропорциональны длинам этих зон. На рис. 2.12 нанесены границы всех рассмотренных в примере зон при направлении ветра под углом =45° к разбивочным осям здания. На рис. 2.13 и 2.14 приведены фотографии загрязнённых зон за моделями узкого и широкого зданий.

Если ветром обтекается группа зданий, то при косых направлениях в межкорпусных пространствах возникают воздушные потоки, движущиеся вдоль наветренных стен. Интенсивность поступательного движения воздушных масс в межкорпусных пространствах зависит от расстояния между зданиями x1 и угла, под которым направлен ветер по отношению к зданиям. При небольшом расходе этого потока его движение является винтообразным, межкорпусная зона не разрывается.

Рис. 2.14. Зона распространения газа из источника, расположенного у подветренной стены модели широкого здания.

Увеличение расхода этого потока приводит к разрушению аэродинамической связи между зданиями и к распаду межкорпусной циркуляционной зоны. У наветренной стены второго здания (в рассматриваемой паре) образуется хорошо проветриваемое пространство.

Параметром, характеризующим проветриваемость межкорпусного пространства, служит следующая относительная величина.

(2.40).

где H1, H2 _ высота первого и второго зданий соответственно в рассматриваемой паре смежных зданий, м;

_ длина части второго здания, отсекаемой плоскостью, которая является продолжением торцевой стены первого здания, обращенной к ветру (со знаком плюс) или длина части первого здания, отсекаемой плоскостью, являющейся продолжением плоскости торцевой стены второго здания, обращенной к ветру (со знаком минус), м.

Здесь наветренной считается та стена, которая обращена к ветру под углом от 90° до 45°.

Следует отметить два критических значения указанного параметра: винтообразное движение воздуха вдоль наветренной стены второго здания возникает при; поступательное движение воздушного потока и разрушение межкорпусной циркуляционной зоны возникает при .