Диссертация (Методологические основы восстановления нарушенных территорий для градостроительства), страница 14

Скорость воздушного потока в любойточке над рассматриваемой формой рельефа может быть определена из уравнения104(3.24), = √2 + 2где Ux и Uy определены из уравнений соответственно (3.17) и (3.20).Рисунок 3.9. Линии тока для профиля положительной формы техногенного рельефа при 1 = 3,2 = 2 [188]Метод источников и стоков позволяет получить качественную и количественную картины двухмерного обтекания воздушным потоком техногенного рельефа в виде отвалов трапециевидного сечения.

Полученныетеоретические зависимости позволяют определять скорость воздушного потока,обтекающего положительные формы техногенного рельефа, на различныхучастках профиля [188]. Для оценки проветриваемое™ отрицательных формтехногенного рельефа предложен коэффициент проветривания дна карьернойвыемки д .

Для определения д разработана диаграмма, исходными даннымидля которой являются геометрические размеры карьерной выемки в сечении.Теоретический метод источников и стоков, к сожалению, не позволяетполучить необходимые в градостроительном проектировании данные обобтеканиивоздушнымпотокомтехногенныхформрельефавплане.Теоретические методы расчета процесса обтекания воздушным потокомтехногенных форм рельефа требуют экспериментальной проверки.

Для105осуществления практических методов расчета аэрационного режима авторомпроведены экспериментальные исследования.3.4. Экспериментальные исследования влияния техногенного рельефа нааэрационный режимЗадача экспериментального исследования аэрационного режима нарушенных территорий заключается в выявлении зависимости значений коэффициентов трансформации τ от геометрических параметров техногенногорельефа. Несмотря на то, что натурные наблюдения могут дать наиболее точныезначения искомых коэффициентов с учетом всех объективных факторов,влияющихнаних,аэродинамическойпредпочтениетрубе,посколькуследуетотдатьпоследниеэкспериментампозволяютвварьироватьгеометрические параметры техногенного рельефа, направление, скорость иначальную турбулентность воздушного потока.Экспериментальные исследования методом физического моделирования ваэродинамической трубе основаны на современной теории аэродинамическогоподобия.3.4.1.

Теоретические предпосылки исследований методом физическогомоделированияОдной из основных и сложных задач в аэродинамических испытанияхявляется создание в аэродинамической трубе такого потока, который был быподобен ветру в натурных условиях.Опыт других исследователей показывает, что при выполнении экспериментальныхисследованийваэродинамическихтрубахнеобходимособлюдение геометрического, кинематического и динамического подобий(Горлин СМ., Зражевский И.М., Реттер Э.И., Серебровский Ф.Л., Немото С.) [52,53, 89, 214, 215, 288, 316] и др. Обязательным в аэродинамических экспериментахявляется геометрическое подобие.

Обозначив Lм и LN характерные линейныеразмеры в натуре и на моделях, получим значения относительных координат:106 ==; ==; == (3.25)Эти уравнения являются условием геометрического подобия аэродинамических экспериментов, которое обеспечивается точным изготовлениеммодели в определенном масштабе.

Масштаб моделей выбран М 1:1000.Обозначив характерные скорости воздушного потока для натуры Ucon и длямодели Ucom, получим относительные компоненты скорости для натуры и длямодели:== (3.26)Это уравнение является условием кинематического подобия набегающихпотоков.Кинематическое подобие набегающего воздушного потока обеспечиваетсяустановкой в конфузоре аэродинамической трубы специальной решетки (рисунок3.10), воссоздающей переменный по вертикали профиль скорости потока.Рисунок 3.10 – Схема аэродинамической трубы:1 - винтомоторная группа; 2 -рабочий стол; 3 - решетка с переменным шагом; 4 – координатник[170]Динамическое подобие моделируемого воздушного потока натурномуобеспечиваетсяподобиемструктурытурбулентности,характеризуемойскоростью диссипации турбулентной энергии, а также равенством турбулентныхчисел Рейнольдса: = (3.27) , = , (3.28)107Выбор скорости набегающего воздушного потока в аэродинамическойтрубе осуществлен на основе формул (3.23):11 3 3=( ) ( )(3.29)С учетом равенства (3.4) получаем1 3= ( )(3.30)Таким образом, устанавливая скорость воздушного потока в аэродинамической трубе 1,5 м/с на высоте 0,01 м от уровня рабочего стола, моделируется ветровой поток со скоростью 15 м/с на высоте 10 м над поверхностьюземли.Профиль скорости воздушного потока, полученный на установке,описывается логарифмическим законом: =1 ln0(3.31)Рисунок 3.11.

Вертикальный профиль скорости воздушного потока [170]:1 – полученный в аэродинамической трубе; 2 и 3 – рассчитанные по формуле длямоделируемых и натуральных условий108На рисунке 3.12 показаны также вертикальные профили скоростейвоздушных потоков в натурных (3) и моделируемых (2) условиях, построенныхна полулогарифмической шкале по формуле (3.31).

Значения скоростей ипараметров шероховатости приняты:для модели -UM = 1,5 м/с на высоте 10∙10-3 z0=2∙10-5 мдля натуры - UN = 15 м/с на высоте 10 м, z0 = 2∙10-2 м.Совпадение точек 2 и 3 означает подобие натурных и моделируемыхвертикальных профилей скорости воздушного потока.Изменение скорости воздушного потока в зависимости от высоты ваэродинамической трубе наблюдается до значений Z = 30 мм. На рисунке 3.12 имоделируемых условиях (точками), построенные в соответствии с формулой1 =( )(3.32)где U и Uδ- горизонтальные скорости на высоте z и zδ; и n – показательстепени, который в натурных условиях зависит от шероховатости подстилающейповерхности и находится в пределах 2,5 ≤n < 8.Рисунок 3.12 – Изменение скорости воздушного потока по высоте для «приземного слоя»рабочей части аэродинамической трубы [170]:1 - для приземного слоя атмосферы в натурных условияхУстановка специальной решетки в аэродинамической трубе позволяетполучить поток, имеющий степенную зависимость от высоты над рабочей109поверхностью стола с показателем n = 7 или1= 0,14, что соответствуетшероховатости лужайки в натурных условиях.Проверку динамического подобия экспериментов в аэродинамическойтрубе осуществим на основе равенства турбулентных чисел Рейнольдса: = ;(3.33)где L - характерный размер объекта; k - коэффициент турбулентной =вязкости, = ;1 = ln 0(3.34)(3.35)Для натуры z0 = 2∙10-2 м, z = 10 м;U = 15 м/с, l = 400 м;Ud = 15∙0,4∙1102∙10−2= 0,965 м/с;k = 0,4∙0,965∙10 = 3,86 м2/с; =15 ∙ 400= 1554,43,86Для модели: z0 =2∙10-5 м, z =10-2 м;U = 1,5 м/с, l= 0,4 м;Ud = 15∙0,4∙110−2ln2∙10−5= 0,096 м/сk = 0,4∙0,096∙10-2 = 3,86∙10-3 м2/с; =1,5 ∙ 0.4= 1554,43,86 ∙ 10−3Таким образом, турбулентные числа Рейнольдса равны для натурных и длямоделируемых условий, что означает динамическое подобие этих условий.В соответствии с условием (3.5) рассчитаем значение скорости диссипациитурбулентной энергии и по формуле=1103∙(3.36)0,0953Для натуры =Для модели = 0,4∙10−2 = 0,22 м2/с3Равенствомоделируемого0.4∙10= 0.22 м2/с30,0963=подтверждаетвоздушногопотокааэродинамическоенатурному.Приподобиепроведенииаэродинамических испытаний на моделях необходимо также соблюдениеравенства масштабов турбулентности, т.е.

= (3.37)где λ - линейный размер возмущений, которые создают пульсацию скорости(величина размера вихря).Величину размера вихря рассчитаем по формуле:13 4=(Для натуры(3.38))3,86314 = ( 0,22 ) = 4,03 м.Для модели = [(3,86∙10−4 )30,2214] = 4,03 ∙ 10−3 м.Согласно формуле (3.34) получаем4,03400=4,03∙10−34∙10−1т.е. 0,01=0,01,что означает равенство масштабов турбулентности, необходимое приаэродинамических испытаниях.Наряду с вышеуказанными критериями и параметрами воздушного потокабыли вычислены значения чисел Рейнольдса для применяемого интерваласкоростей воздушного потока:(3.39)где v - кинематическая вязкость воздуха, ν = 1,5-10-5 м2/с =111При скорости свободного потока U = 3,2 м/с, z = 0,07 м и скорости U = 1,5м/с, z=0,01 м величина числа Рейнольдса изменялась в пределах 0,33∙103≤Re≤0,15∙105.Начальная турбулентность потока составляла ε = 2…3 %, что приближаетсяк турбулентности, наблюдаемой в натуре за пределами городской застройки [170].3.4.2.

Методика проведения экспериментовЭкспериментальные исследования проводили в аэродинамической трубелаборатории строительной физики кафедры архитектуры Южно-Уральскогогосударственного университета. Аэродинамическая труба замкнутого типа соткрытой рабочей частью, рабочее сечение трубы 1000x650 мм (рисунок 3.10).Движение воздуха осуществляется двумя воздушными винтами, насаженными наоси двигателей постоянного тока мощностью 42 кВт каждый. Измерение скоростивоздушного потока производилось термоанемометром ЭТАМ-ЗА. В качестведатчика использовалась вольфрамовая нить длиной 4,5 мм, диаметром 0,019 мм.Датчик устанавливался над измеряемой точкой при помощи координатника.Тарировка датчиков осуществлялась в специальной малой аэродинамическойтрубе по эталонному анемометру.

Модели рельефа выполнялись из мягкогодерева и картона, полые внутри [170, 229].Испытания моделей в аэродинамической трубе позволили установитькачественную и количественную картины обтекания моделей воздушнымпотоком в зависимости от следующих факторов:- формы модели в плане;- параметров поперечного сечения модели, в том числе угла откоса иотносительной высоты (глубины) формы рельефа;- ориентации модели относительно набегающего потока (0°, 45°, 90°,135° и180° к основной оси модели).Измерения скорости воздушного потока производили на высоте HN - 10 мот поверхности земли, что соответствует высоте расположения флюгераметеостанции, а также на высоте HN = 2 м, то есть на высоте роста человека.112Вначале измеряли скорость невозмущенного воздушного потока на высотеметеостанции в выбранном масштабе без модели U0.

Затем на рабочий столустанавливали модель и производили измерения в определенных точках моделина той же фиксированной высоте (Ui). Коэффициенты трансформациивоздушного потока т определяли из соотношения = 0Для удобства обработки результатов исследования и наглядности картиныобтекания был принят графический способ оформления материала (для моделей,исследуемых в плане).Коэффициенты трансформации набегающего воздушного потока в каждойиз точек системы замеров обрабатывали при помощи линий одинаковой скорости.Линии проводили через каждые 0,2 значения коэффициента, то есть соединялиточки с показателями 0,6; 0,8; 1,0 и так далее.Результаты замеров коэффициентов трансформации затем приводили втабличнуюформусредневзвешенныхкоэффициентовтрансформациивоздушного потока по каждому из участков прилегающей к ней территории,ориентированных по восьми основным румбам относительно основной осимодели и расположенных в различных высотных поясах склонов.Модель членили на участки следующим образом: в плане выделяли восемьсекторов по отношению к основной образующей оси формы рельефа; членениямиформы (например, отвала) по высоте на три равные части секторы делили научастки, располагающиеся поясами: нижний пояс -подножие отвала, выше средняя часть склона, до бровки отвала - верхняя часть склона.

Вершина делиласьна участки с шириной, равной высоте отвала, эти участки ориентировались на 4стороны горизонта. Центральная часть верхней плоскости отвала выделялась какодин участок. Прилегающая к отвалу территория разбивалась на 3 зоны,концентрически охватывают отвал. Ширина каждой зоны принималась равнойтрем высотам отвала. Деление на участки по ориентации относительно сторонсвета осуществлялось так же, как и для основной формы. Нумерация участковвелась по часовой стрелке и от периферии к центру.113Подобный принцип членения был выдержан в обработке результатовизмерений по всем моделям в плане, что позволяет не только сравнивать картинуобтекания разных по форме моделей рельефа, но и облегчает учет ветровогорежима в проектировании, где характеристика исходных данных по ветровомурежиму представлена по восьмирумбовой системе ориентации относительносторон света.