Oddziaływanie wiatru na przepływ powietrza w tunelach Grzegorz Sztarbała Zakład Badań Ogniowych, Instytutu Techniki Budowlanej, ul. Ksawerów 21, 2-656 Warszawa STRESZCZENIE: W niniejszym artykule zostały zaprezentowane wyniki badań modelowych przeprowadzonych w tunelu aerodynamicznym Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej. Zagadnienie oddziaływania wiatru na przepływ powietrza w tunelach odgrywa istotną rolę przy projektowaniu wentylacji bytowej, systemów bezpieczeństwa pożarowego tuneli a w szczególności systemów wentylacji pożarowej oraz systemów detekcji pożaru. W przypadku nieuwzględnienia wiatru na etapie projektowania wyżej wymienionych systemów prawidłowe wykrycie pożaru oraz skuteczne funkcjonowanie systemu wentylacji pożarowej będą bardzo utrudnione, a w niektórych przypadkach nawet niemożliwe. Artykuł ten stanowi fragment prowadzonej przez autora pracy badawczej. SŁOWA KLUCZOWE: oddziaływanie wiatru, przepływ powietrza w tunelach, badania modelowe, tunel aerodynamiczny. 1. WSTĘP Przepływ powietrza w tunelach wywołany może być poprzez czynniki klimatyczne, poruszające się w nich pojazdy, jak i pracę urządzeń wentylacyjnych. Wśród czynników klimatycznych istotną rolę odgrywa wiatr. Potwierdzają to badania in-situ funkcjonowania systemów wentylacji oraz rozprzestrzenia się dymu i ciepła w rzeczywistych tunelach drogowych i kolejowych przeprowadzone przez autora niniejszego artykułu. Dotyczy to w szczególności tuneli wentylowanych naturalnie oraz tuneli wyposażonych w system wentylacji wzdłużnej. Znajomość charakteru przepływu powietrza wewnątrz tunelu oraz warunków panujących w sąsiedztwie głowic wjazdowo/wyjazdowych decyduje o wyborze a także o skuteczności działania zarówno systemu wentylacji bytowej, jaki i systemu wentylacji pożarowej. 213
Oddziaływania wiatru na obiekty budowlane o prostej geometrii jest dość dobrze opisane za pomocą modeli matematycznych. W przypadku obiektów budowlanych o złożonej geometrii wielkość obciążenia wiatrem określana jest na drodze badań modelowych w tunelach aerodynamicznych bądź obliczeń numerycznych. Pomimo bogatej literatury z zakresu rozwoju i rozprzestrzeniania się pożaru w tunelach oraz oddziaływania wiatru na obiekty budowlane niewiele jest prac wyczerpująco opisujących jednocześnie oba zagadnienia. W artykule niniejszym, stanowiącym część prowadzonej przez autora pracy badawczej, przedstawiono wyniki badań modelowych przeprowadzonych w tunelu aerodynamicznym Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej. 2. BADANIA MODELOWE 2.1. Opis tunelu aerodynamicznego Tunel, w którym prowadzone były badania, jest tunelem aerodynamicznym o obiegu mieszanym: otwartym, gdy powietrze przepływające przez tunel pobierane jest z zewnątrz budynku poprzez czerpnię powietrza i odprowadzane na zewnątrz budynku poprzez wyrzutnię, a zamkniętym, gdy powietrze wypływające z tunelu transportowane jest kanałem powrotnym znajdującym się nad tunelem do wlotu. Badania, których wyniki prezentowane są w niniejszym artykule zostały wykonane przy obiegu zamkniętym. Przestrzeń pomiarowa tunelu ma szerokość 2,2 m, wysokość od 1,4 m na początku do 1,6 m na końcu i długość 1 m. Formowanie profilu przepływu w tunelu w pierwszej części przestrzeni pomiarowej na odcinku o długości ponad 6, m i odbywa się przy pomocy odpowiednich siatek turbulizacyjnych, barier, iglic i klocków o odpowiedniej geometrii i rozstawie oraz regulowanej mechanicznie wysokości. Przepływ powietrza w tunelu wywołany jest pracą wentylatora osiowego o średnicy zewnętrznej 2,72 m napędzanego silnikiem o mocy 2, kw, obrotach nominalnych 75 obr./min. i sterowanym przetwornikiem częstotliwości. Wentylator umieszczony jest za przestrzenią pomiarową w celu minimalizacji nieusuwalnej turbulencji napływu powietrza w obiegu zamkniętym. Maksymalna średnia prędkość przepływu w przestrzeni pomiarowej wynosi 4, m/s. Dokładniejszy opis budowy tunelu można znaleźć w pracach [1], [2], [3]. 214
2.2. Model fizykalny badanego tunelu Model fizykalny tunelu drogowego wykonany był w skali 1:5 i miał następujące wymiary wewnętrzne 1 cm x 1 cm (szer. x wys.) oraz długość 1 cm. Na Rys. 1. przedstawiono zamontowany w przestrzeni pomiarowej na stole obrotowym model badanego tunelu wraz z widocznymi w tle elementami turbulizującymi przepływ. Rys. 1 Widok modelu badanego tunelu zamontowanego w przestrzeni pomiarowej tunelu aerodynamicznego Figure 1 The view of testing tunnel in the working section of wind tunnel Model wykonany były z przezroczystych płyt pleksi o grubości 2, mm, łączonych ze sobą za pomocą specjalnego kleju zapewniającego połączeniom powietrznoszczelność. Wewnątrz, pomiędzy płytami stanowiącymi ściany zewnętrzne i wewnętrzne tunelu, znajdowała się pustka powietrzna, w której prowadzone były silikonowe przewody impulsowe o średnicy wewnętrznej 2, mm. Przewody te łączyły punkty pomiaru ciśnienia statycznego znajdujące się na ściankach tunelu ze skanerami ciśnienia. Od czoła tunelu zaślepione były za pomocą powietrznoszczelnej taśmy. Na Rys. 2. przedstawiono widok oprzyrządowanego tunelu. 215
Rys. 2. Widok oprzyrządowanego modelu tunelu Figure 2. The view of tunel model 2.3. Struktura przepływu powietrza W prezentowanych badaniach struktura przepływu powietrza kształtowana była poprzez zastosowanie barierki zębatej o wysokości 2 cm. Na Rys. 3. przedstawiono widok wlotu do tunelu wraz z wykorzystywanym w badaniach elementem turbulizującym. Rys. 3. Widok tunelu z elementem turbulizującym. Figure 3. The view of the wind tunnel with the applied turbulizer Uzyskany za pomocą turbulizatora profil prędkości przepływu opisany jest poniższą zależnością potęgową: (1) u( z) = 4,259 z,1952, gdzie: z jest wysokością wyrażoną w metrach. Prędkość otrzymana z powyższego wzoru wyrażona jest w metrach na sekundę. Średnia prędkości napływu powietrza podczas badań wynosiła 16,71 m/s. 216
Intensywność turbulencji wiatru definiowana jest jako stosunek odchylenia standardowego prędkości chwilowej wiatru do wartości średniej i opisana poniższym wzorem: (2) gdzie: σ(z) I v (z) = v(z), v (z) jest średnią prędkością wiatru wyrażoną w metrach na sekundę a σ(z) odchyleniem standardowym. Funkcja krzywej interpolującej profil intensywności wykorzystywany podczas badań została opisana wielomianem czwartego stopnia i ma poniższą postać [4]: (3) I v (z) =,9694 1-9 z 4 +9,58339 1-7z 3,18747 1-4 z 2 +7,44817 1-4 z+,44143 Na Rys. 1 i Rys. 2. przedstawiono przyjęty w badaniach profil prędkości przepływu powietrza oraz profil intensywności turbulencji. 1 9 8 wyskość / height [cm] 7 6 5 4 3 2 1 u [m/s] I v [\] 4 8 12 16 2 u [m/s].1.2.3.4 Iv[\] Rys. 4. Profil prędkości przepływu powietrza i profil intensywności turbulencji wykorzystywany w badaniach. Figure 4. The profiles of wind speed and turbulence intensity used in the tests. 217
2.3. Wyniki pomiarów 2.3.1. Pomiar referencyjnego ciśnienia prędkości wiatru Ciśnienie referencyjne prędkości wiatru mierzone było w punkcie referencyjnym, jako różnica ciśnienia całkowitego otrzymanego z rurki Pitota i ciśnienia statycznego otrzymanego z drugiej rurki, na którą ono oddziałuje czujnik ciśnienia statycznego. Rejestracja przebiegów czasowych ciśnienia prędkości wiatru w obszarze strumienia niezaburzonego przed modelem w przestrzeni pomiarowej tunelu aerodynamicznego wykonana była za pomocą skanera do pomiaru ciśnień różnicowych. Krok próbkowania ciśnienia statycznego wynosił,5 s, czas próbkowania wynosił 3 sek. Na Rys. 5. i Rys. 6. zamieszczono przykładowy przebieg czasowy zmierzonej różnicy ciśnienia całkowitego dla przyjętego w badania profilu prędkości na wysokości 1 i 7 cm. 3 2 qref [Pa] 1 5 1 15 2 25 3 t [s] Rys. 5. Przykładowy zmierzony przebieg czasowy ciśnienia referencyjnego (qref) prędkości wiatru na wysokości 1 cm dla przyjętego profilu, gdzie: qref ciśnienie referencyjne prędkości wiatru. Figure 5. Exemplary reference pressure (qref) of wind speed time series measured at 1 cm height. 218
3 2 qref [Pa] 1 5 1 15 2 25 3 t [s] Rys. 6. Przykładowy zmierzony przebieg czasowy ciśnienia referencyjnego (qref) prędkości wiatru na wysokości 7 cm dla przyjętego profilu, gdzie: qref ciśnienie referencyjne prędkości wiatru. Figure 6. Exemplary reference pressure (qref) of wind speed time series measured at 7 cm height. 2.3.1. Pomiar referencyjnego ciśnienia prędkości wiatru W celu oceny oddziaływania wiatru na przepływ powietrza w tunelu przeprowadzone zostały pomiary ciśnienia statycznego na powierzchni wewnętrznej i zewnętrznej tunelu przy różnym kącie natarcia. Kąt natarcia wiatru zmieniał się w zakresie od do 18, z krokiem co 1. Dodatkowo wykonano również pomiary dla kąta natarcia równego 45, 85, 135 i 175. Za kąt natarcia równy przyjęto kierunek prostopadły do głowicy do tunelu. Rejestracja wyników pomiarów ciśnienia statycznego wykonana była za pomocą skanerów do pomiaru ciśnień różnicowych typu równoległego, bazujących na piezoelektrycznych, dwukierunkowych sensorach ciśnienia. Analogowe sygnały napięciowe ze skanera ciśnień zbierane i archiwizowane były przez system Iotech DaqBook 25. Krok próbkowania ciśnienia statycznego wynosił,5 s, czas próbkowania wynosił 3 sek, co daje 6 pomiarów dla danego punktu pomiarowego przy danym kącie natarcia. Przykładowy przebieg zmian ciśnienia statycznego w wybranym punkcie pomiarowym przedstawiono na Rys. 5. Otrzymane wyniki pomiarów zostały opracowane i przedstawione jako rozkłady średniego współczynnika ciśnienia na ściankach wewnętrznych i zewnętrznych tunelu dla różnych kątów natarcia wiatru. Poniżej, na Rys. 8. i Rys. 9., przedstawiono rozkład średniego współczynnika ciśnienia na ściankach wewnętrznych badanego tunelu dla kąta natarcia 219
i 9. Rozkład średniego współczynnika ciśnienia na ściankach zewnętrznych badanego tunelu dla kąta natarcia i 9 przedstawiono na Rys. 1. i Rys. 11. Rys. 7. Przykładowy zmierzony przebieg czasowy ciśnienia statycznego dla punktu pomiarowego wewnątrz modelu dla przyjętego profilu prędkości Figure 7. Exemplary static pressure time series measured on point inside the tunnel. Przekrój 4 Przekrój 3 Przekrój 2 Przekrój 1 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 Przekrój 8 Przekrój 7 Przekrój 6 Przekrój 5 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 1 5 pstat [Pa] -5 5 1 15 2 25 3 t [s] -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 Rys. 8. Rozkład średniego współczynnika ciśnienia na ściankach wewnętrznych tunelu przy kącie natarcia równym. Figure 8. Distribution of pressure coefficient at the internal walls of tested tunnel with wind angle attack. 22
Budownictwo Podziemne i Bezpieczeństwo w Komunikacji Drogowej i Infrastrukturze Miejskiej Przekrój 4 Przekrój 3 Przekrój 2 Przekrój 1 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.2 -.2 -.2 -.4 -.4 -.4 -.4 -.6 -.6 -.6 -.6 -.8 -.8 -.8 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 Przekrój 8 -.2 -.4 -.6 -.8 Przekrój 7 -.2 -.4 -.6 -.8 Przekrój 6 -.2 -.4 -.6 Przekrój 5 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 Rys. 9. Rozkład średniego współczynnika ciśnienia na ściankach wewnętrznych tunelu przy kącie natarcia równym 9. Figure 9. Distribution of pressure coefficient at the internal walls of tested tunnel with 9 wind angle attack. Przekrój 4.7 -.7.4 Przekrój 3.7.4 -.7.7 -.7.4.7 -.7.4 Przekrój 2.7.4 -.7.7 -.7.4.7 -.7.4 Przekrój 1.7.4 -.7.7 -.7.4.7 -.7.4.7.4 -.7.7 -.7.4 Przekrój 7.7 -.7.4 Przekrój 6.7.4 -.7.7 -.7.4.7 -.7.4 Przekrój 5.7.4 -.7.7 -.7.4.7 -.7.4.7.4 -.7.7 -.7.4 Rys.1. Rozkład średniego współczynnika ciśnienia na ściankach zewnętrznych tunelu przy kącie natarcia równym. Figure 1. Distribution of pressure coefficient at the external walls of tested tunnel with wind angle attack. 221
Przekrój 4.7 -.7.4 Przekrój 3.7.4 -.7.7 -.7.4.7 -.7.4 Przekrój 2.7.4 -.7.7 -.7.4.7 -.7.4 Przekrój 1.7.4 -.7.7 -.7.4.7 -.7.4.7.4 -.7.7 -.7.4 Przekrój 7.7 -.7.4 Przekrój 6.7.4 -.7.7 -.7.4.7 -.7.4 Przekrój 5.7.4 -.7.7 -.7.4.7 -.7.4.7.4 -.7.7 -.7.4 Rys. 11. Rozkład średniego współczynnika ciśnienia na ściankach zewnętrznych tunelu przy kącie natarcia równym 9. Figure 11. Distribution of pressure coefficient at the external walls of tested tunnel with 9 wind angle attack. 3. PODSUMOWANIE. Analiza otrzymanych wyników badań przeprowadzonych w tunelu aerodynamicznym Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Katedry Mechaniki Budowli Wydziału Inżynierii Lądowej Politechniki Krakowskiej potwierdza istotny wpływ wiatru na przepływ powietrza w tunelu. Jako główny czynnik oddziaływujący na zjawiska zachodzące wewnątrz i na zewnątrz tunelu przy działaniu wiatru należy wskazać intensywność turbulencji, która w warunkach rzeczywistych zależy od chropowatości terenu oraz kąta natarcia. Zastosowany w badaniach element turbulizujący przepływ w postaci barierki zębatej o wysokości 2 cm powodował przy podłożu tunelu intensywność turbulencji rzędu 2 %. Wartość ta jest stosunkowo niewielka, gdyż dla terenu miejskiego I v przy podłożu może sięgać nawet 5 %. Jednakże powstające zaburzenia oddziaływają na przepływ powietrza wewnątrz tunelu, co jest szczególnie widoczne dla kątów natarcia większych od 15. W obszarze czoła tunelu wystawionego na działanie wiatru bocznego formuje się wir, którego zasięg zwiększa się wraz z kątem natarcia, co ilustruje Rys.. 222
Przekrój 4 Przekrój 3 Przekrój 2 Przekrój 1 -.8 -.6 -.4 -.2 -.8 -.6 -.4 -.2 -.8 -.6 -.4 -.2.2 -.6 -.4 -.2.2.4.6 -.2 -.2 -.2 -.2 -.4 -.4 -.4 -.4 -.6 -.6 -.6 -.6 -.8 -.8 -.8 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 Przekrój 8 -.2 -.4 -.6 -.8 Przekrój 7 -.2 -.4 -.6 -.8 Przekrój 6 -.2 -.4 -.6 Przekrój 5 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.2 -.2 -.2 -.2 -.4 -.4 -.4 -.4 -.4 -.6 -.6 -.6 -.6 -.6 -.8 -.8 -.8 -.8 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 Rys. 12 Rozkład średniego współczynnika ciśnienia na ściankach wewnętrznych tunelu przy kącie natarcia równym 5. Figure 12. Distribution of pressure coefficient at the internal wall of tested tunnel with 5 wind angle attack. -.2 -.4 -.6 -.8 -.2 -.4 -.6 -.8 Dla kąta natarcia wiatru wynoszącego 9 (patrz Rys. ) na ścianach wewnętrznych tunelu, w jego części środkowej, wartość średniego współczynnika ciśnienia jest podobna dla wszystkich ścian. Pozwala to sądzić, że w obszarze tym występuję stagnacja przepływu. Otrzymane wyniki rozkładu współczynnika ciśnienia na ściankach zewnętrznych modelu tunelu są zgodne jakościowo z danymi literaturowymi [2], [5], [6]. Przeprowadzona analiza wyników badań modelowych pozwala wnioskować, że w tunelu wystawionym na działanie wiatru można wyróżnić trzy obszary. Dwa skrajne związane są ze zjawiskami zachodzącymi w sąsiedztwie wlotu i wylotu z tunelu. Trzeci to obszar znajdujący się pomiędzy wyżej wymienionymi obszarami i charakteryzuje go brak przepływu lub też przepływ cyrkulacyjny z niewielką prędkością. Wielkość tych obszarów oraz ich wzajemne proporcje są zależne od kąta natarcia wiatru. LITERATURA [1] A. Flaga, E. Błazik-Borowa i J. Podgórski, Aerodynamika smukłych budowli i konstrukcji prętowocięgnowych, Lublin: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej, 24. 223
[2] A. Flaga, Inżynieria wiatrowa, Podstawy i zastosowania, Warszawa: Arkady, 28. [3] A. Flaga, Eksperymentalne wspomaganie projektowania przy wpływach środowiskowych na budowle i ludzi, Kraków: Polskie Stowarzyszenie Inżynierii Wiatrowej, 211. [4] J. Bęc, T. Lipecki, E. Błazik-Borowa i J. Szulej, Badania struktury przepływu powietrza w tunelu aerodynamicznym Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej, Łódź-Słok: Politechnika Łódzka, 211. [5] J. Żurański, Obciążenia wiatrem budowli i konstrukcji, Warszawa: Arkady, 1978. THE WIND INFLUENCE ON FLOW FIELD IN TUNNELS The paper presents the results of scale modelling which were carried out at Wind Engineering Laboratory of the Cracow University of Technology. The issue of wind influence on the flow field in tunnels play important roles in the design of daily-day ventilation system, fire safety design, and in particular the fire ventilation system and fire detection system. In the case when wind is not taken into account at the design stage the efficiency of fire ventilation system and correct detection of a fire could be difficult and in some cases impossible. This paper is part of research project conducted by author. 224