Aerodynamika Ś rodowiska

Transkrypt

1 Aerodynamika Ś rodowiska dr inż. Elżbieta Moryń - Kucharczyk Temat: Ć wiczenie 11 Zastosowanie olejowej techniki wizualizacji Do analizy opływu obiektów 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest określenie parametrów geometrycznych pola prędkości w otoczeniu obiektu usytuowanego w warstwie przyziemnej. 2. Wprowadzenie Przepływ powietrza wokół budynków i wywołane nim efekty są bardzo istotne dla komfortu przebywających tam osób i w związku z tym muszą być uwzględniane przez architektów w opracowywanych przez nich projektach. Wzajemne oddziaływanie między wiatrem i budynkami jest obiektem zainteresowania aerodynamiki budowli. Chociaż termin ten jest stosunkowo nowy, to zainteresowanie oddziaływaniem wiatru na budynki datuje się już od czasów wczesnych cywilizacji. Bez pomocy dostępnej dzisiaj aparatury pomiarowej i badań modelowych w tunelach aerodynamicznych architekci uczyli się głównie na błędach poprzedników. Ich notatki zawierają m.in. wiele przenikliwych obserwacji na temat skutków Rys.1. Badania modelowe w tunelu aerodynamicznym Uniwersytetu Monash od- 187

2 działywań wiatrowych. Dzisiejsi architekci mogą korzystać z badań modelowych już na wstępnym etapie projektowania, co pozwala uniknąć wielu błędów. Na rys.1 pokazano model grupy budynków przygotowywanych do badań w tunelu aerodynamicznym Uniwersytetu Monash (USA). Badania pól prędkości wokół ciał nieopływowych dostarczają danych projektantom osiedli mieszkaniowych i obiektów przemysłowych odnośnie wpływu zabudowy na kierunek i intensywność lokalnych wiatrów. Informacje te są niezbędne dla: - zapewnienia komfortu mieszkańcom poprzez wyeliminowanie męczących podmuchów w pobliżu budynków oraz przeciągów i hałasu wywołanego ruchem powietrza przy niekorzystnych warunkach opływu, - wyeliminowanie niekorzystnych oddziaływań w systemach ciepłowniczowentylacyjnych; przeciągi wewnątrz budynków i dodatkowe straty ciepła wynikają bezpośrednio z niekorzystnego pola przepływu na zewnątrz obiektu w pobliżu okien i drzwi, - na podstawie aerodynamicznych badań modeli zabudowy przemysłowej przewidywać można m.in. przebieg dyspersji dymu unoszącego się z kominów ciepłowniczych i fabrycznych oraz lokalizację miejsc o szczególnie silnej koncentracji zanieczyszczeń. Dyskomfort wywołany wiatrem odczuwalny być może w przykry sposób na terenie w pobliżu budynków. Kształty niektórych budynków i ich układy są źródłem bardzo intensywnych lokalnych ruchów powietrza. Prędkość wiatru jest wielkością zmienną w czasie i zgodnie z hipotezą Reynoldsa jej chwilową wartość V(t) można traktować jako sumę wartości średniej V i fluktuacyjnej v (t): V ( t) = V + v ( t) Miarą dyskomfortu jest parametr ψ definiowany w następujący sposób: 2 V + v ψ =, 2 V r + v r gdzie V - średnia prędkość wiatru przyziemnego, v - składowa fluktuacyjna prędkości wiatru; indeks r oznacza warunki odniesienia, przy czym obecnie przyjmuje się: 188

3 V r + v 2 r 6 m. s Rys.2. Strefy dyskomfortu (podmuchów wiatrowych) w otoczeniu sąsiadującego ze sobą obiektu niskiego i wysokiego Zadaniem projektanta jest dążenie do stworzenia warunków nie przekraczających poziomu tzw, dyskomfortu dopuszczalnego ( ψ 1 ), co oznacza eliminację pojawiania się lokalnych prędkości wiatru przekraczających 6 m/s. W sąsiedztwie obiektów o różnej geometrii i konfiguracji występują zjawiska, którym odpowiadają różne wartości współczynnika ψ. Przykładowo na rys.2 pokazano tzw. efekt zmiatania powstający w przypadku stojącego obok siebie budynku wysokiego i niskiego. Strumień wiatru uderza o ścianę czołową wysokiego budynku, część powietrza spływa po ścianie do poziomu podłoża i formuje wir, co prowadzi do powstania strefy dyskomfortu w pobliżu podstawy wysokiego budynku. Współczynnik ψ przyjmuje w tym przypadku wartości z przedziału Powstająca przy narożach budynku strefa dyskomfortu charakteryzuje się natomiast wartościami współczynnika ψ = 1.2 ( dla wieżowców do 2.2 ). Badanie modeli pojedynczych o różnej geometrii i zmiennym usytuowaniu względem kierunku napływu wiatru, jak również analiza opływu niewielkich grup obiektów pozwala 189

4 na sformułowanie wskazówek sprzyjających właściwemu projektowaniu bardziej złożonych rzeczywistych układów architektonicznych. Istotnym jest tu wymodelowanie profilu prędkości napływającego czynnika o kształcie i strukturze wirowej zbliżonej do atmosferycznej warstwy przyziemnej uformowanej w terenie o określonej topografii (temu problemowi poświęcone jest ćwiczenie nr 11 ). Przy opływie ciała stałego płynem rzeczywistym w bezpośredniej bliskości jego powierzchni tworzy się warstwa przyścienna, czyli warstwa płynu, w której występuje gradient prędkości wzdłuż normalnej do tej powierzchni. Obszar powstający przy opływie ciała o kształcie nieopływowym po stronie spływu na skutek oderwania się warstwy przyściennej nosi nazwę śladu aerodynamicznego. W przypadku opływu ciał o przekroju prostokątnym i ostrych narożach oderwanie strugi zachodzi na ostrej krawędzi od strony napływowej. Na rys.3 przedstawiono obraz linii prądu odpowiadający przepływowi wokół trójwymiarowego ciała nieopływowego umieszczonego na powierzchni z uformowaną wlotową warstwą Rys.3. Schemat opływu bryły prostopadłościennej umieszczonej na podłożu (wg Hoskera). przyścienną. Widoczne są tutaj obszary charakterystyczne dla tego typu przepływu: obszar formującego się przed obiektem wiru podkowiastego (1), przepływ górny (2), rejony 190

5 bliskiego (3) i dalekiego (4) śladu. Zaznaczono tutaj także dwa podstawowe punkty separacji pierwotny S i wtórny S 1, występujące w procesie tworzenia się wiru podkowiastego. Odległość punktu wtórnej separacji od obiektu daje przybliżony wymiar wiru podkowiastego, natomiast linia przechodząca przez punkt separacji pierwotnej wyznacza zakres oddziaływania ujemnego gradientu ciśnienia wywołanego obecnością modelu. Zasięg bliskiego śladu określa linia przylegania przepływu górnego do podłoża. Na linii tej następuje zmiana kierunku przepływu nad powierzchnią. Schematyczny obraz opływu takiej samej bryły, ale w jej płaszczyźnie symetrii (widok Rys.4. Obraz linii prądu wokół obiektu prostopadłościennego umieszczonego z boku ) oraz układ powierzchniowych linii prądu (widok z góry ) z boku, b) widok z góry w warstwie przyściennej: a) widok przedstawiono na rys.4. Do jakościowej oceny przepływu wokół modelu służą techniki wizualizacji, które uwidaczniają przebieg linii prądu w obszarach ruchu laminarnego i turbulentnego, punkty spiętrzenia lub też obszary o silnych zawirowaniach. Najbardziej znane metody wizualizacji przepływu polegają na : a) wdmuchiwaniu dymu do strumienia powietrza opływającego model, b) obserwowaniu ruchu i kształtu krótkich jedwabnych lub wełnianych nitek przyczepionych do powierzchni modeli, c) powlekaniu powierzchni modelu i podłoża preparatami, które tworzą obraz powierzchniowych linii prądu. Na rys.5 pokazano obraz opływu samochodu uzyskany za pomocą techniki dymowej, natomiast rys.6 pokazuje przykład wykorzystania wełnianych nitek do wizualizacji opływu wokół wysokiego budynku otoczonego grupą budynków o różnych kształtach i wysokości. 191

6 W ćwiczeniu wykorzystuje się trzecią metodę, przy czym na powierzchnię, na której ustawiany jest model (dno tunelu), nanosi się warstwę mieszaniny oleju parafinowego, kwasu olejowego i dwutlenku tytanu TiO 2 ( tzw. olejowa technika wizualizacji ). Mieszaninę rozprowadza się cienko na znacznym obszarze wokół opływanego modelu. Uzyskuje się w ten sposób obraz powierzchniowych linii prądu, który umożliwia określenie charakterystycznych punktów i obszarów przepływu wokół obiektu, a także z dużym przybliżeniem pozwala oszacować przestrzenny obraz ruchu płynu. Rys.5. Obraz opływu samochodu uzyskany techniką dymową. Rys.6. Wykorzystanie wełnianych nitek do wizualizacji opływu wokół modeli budynków 192

7 Rys.7. Obraz przepływu wokół walca Rys.8. Obraz przepływu wokół grupy obiektów Na rysunkach 7 i 8 pokazano przykładowo obrazy przepływu wokół obiektu pojedynczego i zgrupowania obiektów prostopadłościennych uzyskane techniką wizualizacji olejowej. Zestawienie tych rysunków z przedstawionymi na rys.3 i 4 schematami opływu prostopadłościanu pokazuje, że technika wizualizacji olejowej umożliwia lokalizację charakterystycznych obszarów analizowanego pola prędkości. Widać tworzący się od strony napływu wir podkowiasty, parę wirów zakrawędziowych występujących po stronie zawietrznej obiektu, obszar bliskiego i dalekiego śladu aerodynamicznego. Rozmiary po- 193

8 wstających struktur ( szerokość wiru podkowiastego, zasięg i szerokość bliskiego śladu aerodynamicznego, odległość pary wirów od tylnej ściany obiektu, poprzeczna odległość osi pary wznoszących się wirów zakrawędziowych ) zależą od parametrów geometrycznych modelu, grubości warstwy przyściennej i prędkości napływu. Mieszanina wizualizacyjna ma barwę białą i stąd też korzystne jest dla późniejszej interpretacji uzyskanych obrazów przepływu nanoszenie jej na czarną płytę. Ciemne obszary obszary wymycia mieszaniny obrazują strefy zwiększonej prędkości, czyli przeciągów, natomiast obszary białe, czyli obszary nagromadzenia mieszaniny to strefy zawirowań, z zerową prędkością w osi wirów. W tych miejscach należy się spodziewać gromadzenia ewentualnych zanieczyszczeń unoszonych w przepływie. 3. Opis stanowiska badawczego. Badania realizowane są w tunelu aerodynamicznym, przedstawionym w ćwiczeniu nr 10. Model umieszcza się w sekcji pomiarowej tunelu na płycie polakierowanej na czarno, w celu uzyskania odpowiedniego kontrastu przy późniejszym filmowaniu obrazu opływu obiektu. Kamera umieszczona jest nad sekcją pomiarową i połączona ze znajdującym się obok tunelu komputerem. Taki układ umożliwia obserwację tworzącego się obrazu opływu modelu bezpośrednio na ekranie monitora. Sposób obsługi kamery i rejestracji obrazu zostanie podany przez prowadzącego zajęcia. Zarejestrowany i wydrukowany obraz stanowi podstawę do określania parametrów opływu, a mianowicie : - szerokość śladu B, - zasięg bliskiego śladu Z, - odległość punktu wtórnej separacji od przeszkody A. Sposób ich wyznaczania przedstawiono na rys.9. Rys.9. Obraz przepływu uzyskany techniką wizualizacji olejowej. 194

9 Do wizualizacji wykorzystuje się mieszaninę oleju parafinowego, kwasu olejowego i dwutlenku tytanu. Dokładne proporcje poszczególnych składników należy ustalić metodą prób i błędów, aż do uzyskania odpowiedniej jakości obrazów. Wymagana gęstość mieszaniny zależy bowiem od wielu czynników, m.in. od rodzaju powlekanej nią powierzchni, prędkości przepływu powietrza w tunelu, temperatury otoczenia. Wstępnie należy przyjąć następujące udziały objętościowe poszczególnych składników: kwas olejowy ½, olej parafinowy ¼, dwutlenek tytanu ¼. 4. Przebieg ćwiczenia Model o kwadratowej podstawie o długości boku D i wysokości H ustawić prostopadle do kierunku napływu na dolnej płycie sekcji pomiarowej tak jak to pokazano na rys 10. Rys.10. Badany układ przepływowy 4.2. Przygotować mieszaninę TiO 2, kwasu olejowego i oleju parafinowego zgodnie ze wskazówkami podanymi wcześniej. Posmarować nią odpowiedni fragment płyty wokół modelu Włączyć tunel. Odczekać ca.15 min. obserwując na ekranie monitora powstający obraz opływu wokół badanego modelu. Zarejestrować obraz opływu Wyłączyć tunel. Zastąpić badany model obiektem o innej wysokości H, ponownie równomiernie rozsmarować preparat wokół obiektu. 195

10 4.5. Zapisać obrazy opływu dla modeli o różnych wysokościach (H=8;16;32;64;80;96 mm) Po wydrukowaniu zarejestrowanych obrazów opływu określić na ich podstawie - szerokość śladu B, - zasięg bliskiego śladu Z, - odległość wtórnego punktu separacji od obiektu A. Otrzymane wielkości przedstawić w funkcji wysokości obiektu w zredukowanym układzie współrzędnych: B/D = f(h/d), Z/D = f(h/d), A/D = f(h/d). Literatura Elsner J.W.: Turbulencja przepływów. PWN Warszawa