Приложение И. Общая методика проведения модельных испытаний зданий и сооружений в аэродинамических трубах

Информация об изменениях:

Свод правил дополнен приложением И с 29 июля 2019 г. - Изменение N 2

Приложение И

Общая методика
проведения модельных испытаний зданий и сооружений в аэродинамических трубах

Критерии подобия, указанные в приложении Ж, должны выполняться при проведении всех модельных испытаний зданий и сооружений в аэродинамических трубах.

Примечание - При решении некоторых специальных задач строительной аэродинамики, кроме того, может потребоваться выполнение других критериев подобия: по числам Ричардсона , Россби , Фруда и др.

И.1 Геометрическое подобие

Следствием геометрического подобия модели и сооружения является равенство безразмерных координат соответствующих точек моделей и сооружения

и (i = 1, 2, 3), (И.1)

где и - координаты точек модели и сооружения соответственно в направлении i-й координатной оси (i = 1, 2, 3);

и - соответствующие линейные размеры модели и сооружения соответственно в направлении i-й координатной оси (i = 1, 2, 3).

Линейный масштаб моделирования определяется соотношениями

(И.2)

При изготовлении модели линейный масштаб моделирования выбирается таким образом, чтобы степень заполнения поперечного сечения аэродинамической трубы удовлетворяла условию (Ж.1).

В тех случаях, когда это условие не выполняется, результаты эксперимента нуждаются в корректировке. Ее методика для каждой аэродинамической установки определяется экспериментально.

При модельных испытаниях зданий и сооружений ; для элементов решетчатых конструкций принимают порядка единицы.

И.2 Подобие по параметру шероховатости

Подобие по параметру шероховатости - частный случай геометрического подобия элементов шероховатости.

Учитывая, что в большинстве случаев - величина порядка , при изготовлении моделей точно удовлетворить этому равенству, как правило, не удается. Для оценки влияния этого параметра на аэродинамические коэффициенты при проведении испытаний шероховатость модели обычно искусственно увеличивается. Для использования результатов продувок подобных моделей для назначения ветровых нагрузок, действующих на проектируемые сооружения, как правило, необходимы дополнительные обоснования.

И.3 Моделирование по числу Рейнольдса

Число Рейнольдса Re определяется соотношением

, (И.3)

где - характерная средняя скорость ветра или потока в аэродинамической трубе ;

- размер сооружения или модели в направлении, перпендикулярном направлению скорости ;

- кинематическая вязкость воздуха.

Так как v имеет примерно одно и то же значение для потоков в аэродинамических трубах и в естественных условиях, а

, (И.4)

то отношение чисел Рейнольдса, соответствующих модели и натурному сооружению, пропорционально линейному масштабу моделирования:

. (И.5)

Учитывая, что при модельных испытаниях реальных сооружений , то даже приближенно выполнить моделирование по числу Re не удается; обычно при проведении испытаний пользуются более слабым требованием: числа Рейнольдса сооружения Re и его модели должны находиться в одной и той же области автомодельного режима обтекания.

С практической точки зрения основной особенностью зоны автомодельности является то, что в ней аэродинамические коэффициенты слабо зависят от числа Рейнольдса. Это обстоятельство позволяет с достаточной степенью надежности использовать результаты модельных испытаний при назначении ветровых нагрузок, действующих на реальные сооружения.

Границы области автомодельности зависят от степени шероховатости поверхности модели, ее относительных размеров и свойств набегающего потока.

Для сооружений с острыми кромками (поперечное сечение которых имеет угловые точки) нижняя граница зоны автомодельности и при аэродинамических испытаниях их моделей можно считать, что условие автомодельности всегда выполняется.

Для сооружений с гладкой формой поперечного сечения нижняя граница зоны автомодельности, соответствующей его закризисному обтеканию, и числа Рейнольдса , реализованные при его модельных испытаниях, часто имеют близкие значения порядка .

Выполнение условия автомодельности обтекания модели при проведении каждого эксперимента должно устанавливаться непосредственно на основе анализа полученных результатов.

Примечание - Выполнение условий геометрического подобия модели (с учетом степени шероховатости ее поверхности) и автомодельности ее обтекания в аэродинамической трубе обеспечивает выполнение критерия подобия по числу Струхаля при проведении экспериментальных исследований.

И.4 Для моделирования структуры погранслоя атмосферы при проведении модельных испытаний рекомендуется использовать аэродинамические трубы метеорологического или геофизического типа, длина рабочей части которых превышает шесть высот их поперечного сечения и имеющих прямоугольную форму.

Учитывая, что образование приземного слоя атмосферы при сильных ветрах и в трубах с длинной рабочей частью происходит единообразно, за счет взаимодействия потоков с соответствующими подстилающими поверхностями, в обоих этих случаях их структура - профиль средней составляющей скорости и энергетические спектры пульсационной составляющей - оказываются подобными.

Основным параметром, характеризующим свойства реальных ветровых режимов и потоков, реализуемых в аэродинамических трубах с длинной рабочей частью, является параметр шероховатости подстилающей поверхности.

За счет использования различных элементов шероховатости (турбулизаторов) и различных способов их размещения на полу аэродинамической трубы значение при испытаниях может изменяться в достаточно широких пределах. Кроме того, изменяется вдоль рабочей части трубы. Эти два обстоятельства позволяют выбрать условия испытаний, соответствующие реальным условиям.

Для использования результатов модельных испытаний в трубах с длинной рабочей частью вполне достаточно знать параметр шероховатости ; детальное описание энергетического спектра скорости потока при этом необязательно в силу его подобия спектру продольной составляющей скорости ветра.

Примечание - Иногда при испытаниях в трубах с короткой рабочей частью для турбулизации потока на выходе из сопла устанавливаются турбулизирующие решетки. Поскольку турбулентная структура подобных потоков существенно отличается от структуры погранслоя атмосферы, то для практического использования результаты, полученные при экспериментах с "решетчатой" турбулентностью, нуждаются в дополнительных обоснованиях.

И.5 Энергетические спектры скорости потока или давления, определяемые по результатам модельных испытаний в аэродинамических трубах, могут быть использованы на практике только для частот ; здесь и являются соответственно нижней и верхней границами достоверного частотного диапазона и зависят от длины записи пульсаций давлений при эксперименте и интервала выборки (квантования) данных при статистической обработке этих записей. На практике допускается принять

, (И.6а)

, (И.6б)

где и определены в И.1 и И.3 соответственно.