В статье автор производит исследование методики расчета высотных зданий на воздействие ветровой нагрузки в программном комплексе Ansys. Приведён пример расчета небоскрёба условной архитектуры.
Ключевые слова: высотное здание, небоскреб, строительная система, метод конечных элементов, ПК Ansys, ветровая нагрузка.
Аэродинамика описывается фундаментальными физическими законами механики сплошных сред. Данные законы называются «законами сохранения», так как они выражают сохранение массы, энергии и импульса для каждого элементарного объема движущейся среды.
Параметры течения и движущегося тела. Силу, которая действует на движущееся тело, можно выразить через безразмерный параметр. Этот параметр получается в результате отношения силы к некоторой комбинации существенных характеристик среды и течение, которое в свою очередь тоже имеет размерность среды. Согласно второму закону Ньютона сила F равна произведению массы на ускорение и имеет размерность ml/t 2, где m — масса, кг, l — длина, м и t — время, с. Величина, которая также имеет размерность силы, является произведением квадрата скорости движения тела в среде v 2 плотности ρ и площади s. В результате использования указанных зависимостей получен искомый безразмерный параметр — коэффициент силы.
Согласно [1] Расчеты ветровых потоков и воздействий на высотные здания и комплексы сводятся к решению трехмерных нестационарных нелинейных уравнений гидрогазодинамики с учетом вязкости в постановке Навье-Стокса.
Прямое решение уравнений с учетом вихрей всех масштабов при современных возможностях ЭВМ практически реализуемо только для очень малых скоростей потока. Для упрощения системы уравнений Рейнольдс предложил заменить скорость на сумму средней и пульсационной скорости:
Ф. Ментер в 1993 году предложил «гибридную» модель SST (shear stress transport, перенос сдвиговых напряжений). Модель эффективно сочетает устойчивость и точность стандартной 
. пристеночных областях и эффективность 
модели на удалении от стенок с плавным переходом между ними. Данная модель является универсальной, в данном расчете она принята в качестве основной.
Приведем основные соотношения модели SST. Уравнения для турбулентной кинетической энергии
и турбулентной частоты 
следующие:
Турбулентная вязкость вычислена по формуле:
С константой а=0,31 и стыковочной функцией:
Профиль средней скорости на входе, как правило, получают по нормативным данным. В некоторых зарубежных источниках применяется не степенная, а логарифмическая зависимость профиля от высоты, лучше согласующаяся с экспериментами в аэротрубе. Если известны данные замеров для турбулентной кинетической энергии, то их следует ввести. Для выполнения стационарного расчета необходимо указать средние значения скоростей ветра.
Соотношение изменения ветра с высотой выражается следующей функцией:
где 
- средняя скорость на высоте 
, z — высота над поверхностью земли, — базовая высота над поверхностью земли для построения профиля. 
— показатель функции степени распределения.
Методика расчета вПК «Ansys Fluent»
Непосредственно расчеты аэродинамики выполнялись с использованием программного модуля ANSYS CFX (далее CFX [95]). Модуль ANSYS CFX позволяет моделировать ламинарный и турбулентный потоки, сжимаемую и несжимаемую жидкости, связанные задачи теплообмена, многофазные потоки, процессы кипения, горения, конденсации, фильтрации, химические реакции и многое другое. Поддерживаются более двадцати различных моделей турбулентности.
Так же, ввиду необходимости использования сразу нескольких продуктов Ansys:Geometry — для редактирования геометрии расчетной модели, Mesh — для создания конечно-элементной сетки/объемов, модуль Flow(Fluent) для расчета аэродинамики здания, а так же анализа полученных результатов, используется среда Ansys Workbench. Интерфейс представлен на Рис 1.
Рис. 1. Интерфейс Ansys Workbench
Допущения, принимаемые в расчете:
– ветровые потоки предполагаются несжимаемыми
– ветровые потоки изотермически
– массовые силы не учитываются.
Расчет проводился в условиях стационарной модели. В качестве объекта исследования было рассмотрено высотное здание на металлическом каркасе. Общая высота здания — 380м. Общий вид данного здания представлен ниже на Рис 2.
|
|
|
Рис. 2. Общий вид и вид сбоку
План типового этажа здания представлен на Рис 3.
Рис. 3. План типового этажа здания
Геометрия здания подготовлена в ПК «Revit 2019» с последующим импортом геометрии в формат SAT. Далее необходимо импортировать геометрию в среду Ansys Workbench. Создадим модуль для редактирования «Geometry». В данной работе рассмотен случай воздействия ветра на здание одного угла атаки — в торец здания.
Рис. 4. План здания при угле атаки ветра =0
Далее необходимо создать расчетную область, где производится обдув здания. Область представляет из себя параллелепипед, окружающее здания. Существует методика по заданию размеров расчетной области во избежания влияния ее размеров на точность расчетов.
Правила создания расчетной модели:
– расстояние от плоскости параллепипеда до здания в свету, откуда идет атака ветра, должна составлять не менее 5 высот здания
– расстояние от задней плоскости до здания в свету должен составлять не менее 15 высот здания
– расстояниеот плоскости,параллельной направлению ветра, до здания в свету должно составлять не менее 5 высот здания
– высота области должна составлять не менее 6 высот здания.
Схема задания расчетной области приведена на Рис 5.
Рис. 5. К определению размеров расчетной области
Расчетная область высотного здания приведен на Рис 6. Зеленым на рисунке выделено само здание.
Рис. 6. Расчетная область высотного здания
После создания расчетной области, из самой области нужно вычесть объем здания. Данное действие произведено с помощью булевого вычитания. Далее необходимо из полученной геометрии получить конечноэлементную расчетную модель для дальнейшего расчета.
Необходимо заранее выделить плоскости, поверхности, к которым в будущем необходимо придавать свойства (сторона потока ветра, скорость, давления и т д). Выделяем стороны, с которой дует ветер, выделяем и называем «inlet». Плоскость показана на Рис 7.
Рис. 7. Плоскость «inlet»
Аналогичное действие производим с плоскостью с противоположной стороны и называем «outlet». Также выделяем контур здания и задаем название «zdanie_surface».
Расчетная область воздушного пространства разделим на ячейки размером по 150 м. Конечноэлементная сетка самого здания необходимо сгущать. Зададим условия для контуров здания, что при разбиении сетки, здание по длине должно разбиться не менее, чем на 10 отрезков. Данное условие вводится с помощью команды «Sizing».
Разбивка на конечные элементы представлена на Рис 8.
Рис. 8. Разбивка расчетной области и здания
После разбиения сетки, переходим в препроцессор «Ansys Fluent» для задания граничных условий. В качестве расчетной модели выбираем модель с учетом SST. Режим — стационарный. Граничные условия приведены на Рис 9.
Рис. 9. Граничные условия к расчету модели
Согласно данным метеорологических служб, максимальная скорость ветра за все время наблюдения составляет 22 м/с. Такая скорость ветра наблюдается менее 5 минут в году. Введем допущение, что скорость ветра постоянна по всей высоте здания.
К плоскости «inlet» введем показания скорости ветра. Данные представлены в Рис. 10.
Рис. 10. Настройка скорости потока ветра с плоскости
Далее необходимо задать справочные значения (Reference Values) для корректного подсчета коэффициента лобового сопротивления и прочих параметров. Справочные величины представлена на Рис 12.
Рис. 11. Справочные параметры
Для расчета коэффициента лобового сопротивления Cz (ветер дует вдоль глобальной оси Z), зададим монитор. После задания монитора производим расчет.
График зависимости значения коэффициента Сz от количества итераций представлен в Рис 12.
Рис. 12. Зависимость коэффициента от количества итераций
Зависимость параметров потока от количества итераций представлен на Рис. 13.
Рис. 13. Зависимость параметров потока от количества итераций
Расчет считается завершенным, когда все параметры стабилизируются во времени. Результаты опыта приведены в Табл.1.
Таблица 1
|
Наименования параметра |
Результат |
|
Коэффициент лобового сопротивления Cz |
1.12 |
|
Статическая составляющая давления |
|
|
Динамическое составляющая давления |
|
|
Суммарное давление ветра |
|
Выводы: результаты эксперимента показывают, что динамическая составляющая давления от ветра имеет наибольшее значение по краям и по боковым поверхностямс здания. Данное явление связано с наличием развитых отрывных сечений ввиду низкой обтекаемости здания в целом. Траектория потока представлена на Рис. 14 и Рис. 15.
|
Рис. 14. Линии тока ветра. Вид сбоку |
Рис. 15. Линии тока ветра. План |
Литература:
1. Дубинский С. И. Численное моделирование ветровых воздействий на здания и сооружения. Москва, 2010. 197 с.
