Компьютерное моделирование воздействия ветра на аэродинамическое обтекание рекламного видеоэкрана

Цель работы – проведение аэродинамических расчетов обтекания, визуализация течения и определение основных аэродинамических характеристик конструкции двустороннего рекламного видеоэкрана (дисплея) при воздействии ветровых нагрузок в соответствии со СНиП [1-2].

Общий вид геометрии конструкции схематично показан на рис. 1 в формате трехмерной твердотельной CAD-модели. Двусторонний рекламный видеоэкран представляет собой объемный несущий каркас в форме четырехугольной несимметричной призмы, имеет размеры дисплея 8.34 м х 6.6 м (площадь поверхности экрана с каждой стороны равна 55 м2). Двусторонний видеодисплей установлен на вертикальной стойке высотой 5.1 м,  общая высота конструкции 12 м, проектный вес 10.6 т, высота центра тяжести 8.4 м [3]. Конструкция прикрепляется внизу к фундаментной плите и устанавливается на земле.

wind_video_mod1

Рис. 1 CAD-модель конструкции видеоэкрана

Проведено компьютерное моделирование обтекания и экспертные расчеты аэродинамических характеристик конструкции видеоэкрана, установленного на плоскости земли. Расчеты проведены на основе численного решения трехмерных уравнений газовой динамики с учетом турбулентности внешнего ветрового потока. В расчеты закладывался логарифмический профиль скорости ветра в приземном слое атмосферы, определяемый в соответствии с нормативными и расчетными ветровыми нагрузками, рассчитанными по СНиП [1] для 1-ого ветрового района (город Москва) и типа местности «А».

Компьютерное моделирование аэродинамического воздействия ветра на видеоэкран проводилось в расчетной области в форме параллелепипеда размером 200 м х 200 м х 100 м (рис. 2), внутри которого была сгенерирована гибридная объемная сетка, содержащая 3 млн. ячеек (тетраэдров, призм, пирамид),

wind_video_mod2

Рис. 2 Расчетная область

Фрагмент сетки на поверхности видеоэкрана и на плоскости земли показан на рис. 3.

wind_video_mod__main1

Рис. 3 Фрагмент сетки на поверхности конструкции дисплея и земли

 

Расчеты проводились для  значений скорости набегающего ветрового потока на высоте 10 м от земли, соответствующих логарифмическим профилям, построенным для нормативного значения ветрового давления 230 Па [1] (в пересчете скорость ветра на 10 м равна 19.4 м/с) и расчетного значения полной ветровой нагрузки (с учетом пульсационной составляющей) 780 Па, рассчитанным по СНиП [1] для рассматриваемой конструкции [3] (в пересчете скорость ветра на высоте 10 м равна 35.75 м/с). Расчеты проводились для четырех направлений ветра по схеме «крест» (север-юг, запад-восток) в диапазоне чисел Рейнольдса Re=10÷20 млн.

На рис. 4–15 представлены визуализации обтекания конфигурации видеоэкрана ветровым потоком в различных направлениях и соответствующие распределения аэродинамических параметров и величин (скорости, давления, энергии турбулентных пульсаций) в срединных плоскостях расчетной области. Стрелками указано направление обдува ветром с логарифмическим профилем скорости вблизи поверхности земли.

.

«Поперечное» обтекание конструкции двустороннего видеоэкрана

Скорость ветра 19.4 м/с (h=10 м)

Скорость ветра 35.75 м/с (h=10 м)

wind_video_mod4

wind_video_mod5

 

Рис. 4 Линии тока

 

wind_video_mod6

wind_video_mod7

 

Рис. 5 Ветровое давление

 

wind_video_mod8

wind_video_mod9

 

Рис. 6 Энергия турбулентных пульсаций

 

wind_video_mod10

wind_video_mod11

 

Рис. 7 Ветровое давление на наветренной стороне дисплея

 

wind_video_mod12

wind_video_mod13

 

Рис. 8 Линии тока

 

wind_video_mod14

wind_video_mod15

 

Рис. 9 Ветровое давление

 

wind_video_mod16

wind_video_mod17

 

Рис. 10 Энергия турбулентных пульсаций

 

wind_video_mod18

wind_video_mod19

 

Рис. 11 Ветровое давление на наветренной стороне дисплея

 

«Продольное» обтекание конструкции двустороннего видеоэкрана

Скорость ветра 35.75 м/с (h=10 м)

wind_video_mod20

 

Рис. 12 Линии тока

 

wind_video_mod21

 

Рис. 13 Ветровое давление

 

wind_video_mod22

 

Рис. 14 Энергия турбулентных пульсаций

 

wind_video_mod23

 

Рис. 15 Ветровое давление на наветренной стороне дисплея

 

Как известно, геометрическая конфигурация рекламного дисплея с точки зрения аэродинамики является типичным «плохообтекаемым» телом с многочисленными острыми кромками и плоской наветренной поверхностью малого удлинения (1.26), что в целом провоцирует мощные отрывы потока при обтекании и образование в окрестности подветренной стороны вниз по потоку протяженных отрывных зон с рециркуляционными токами. Такая картина течения отчетливо видна на фрагментах с линиями тока (рис. 4, 8, 12) и подтверждается фрагментами с распределением кинетической энергии турбулентных пульсаций (рис. 6, 10, 14).

Анализ и обработка результатов расчетов показали, что коэффициенты аэродинамического сопротивления конструкции рекламного видеоэкрана, определенные для «поперечного» и «продольного»  обтекания ветровым потоком в диапазоне чисел Рейнольдса (10÷20)×106, составляют величину Сх=1.07-1.18 (величина силы сопротивления отнесена к ветровому давлению на высоте 10 м и к площади наветренной поверхности дисплея). Для сравнения, коэффициент сопротивления «плохообтекаемого» тела в форме плоского диска, установленного поперек потока, составляет величину 1.1.

Согласно СНиП [1] в расчет ветровых нагрузок и воздействий для конструкций в форме плоских щитов, установленных поперек потока, закладывается аэродинамический коэффициент сопротивления С=1.4. Таким образом, при расчетах рассмотренной и подобных ей конструкций рекламного видеоэкрана на прочность под воздействием ветровых нагрузок априори закладывается запас по прочности в 10-15% при задании среднего нормативного  и расчетного значения ветрового давления

Литература

  1. СНиП 2.01.07-85. Нагрузки и воздействия. Строительные нормы и правила. Москва, 1985.
  2. СТО 36554501-015-2008. Стандарт организации. ФГУП «НИЦ «Строительство». Москва, 2008.
  3. Двусторонний дисплей размером 8.34*6.6 м Н=12 м. Металлоконструкции 55111-р. Расчет конструкций. ООО "НИПИ Промстальконструкция". Москва, 2008.
Публикация согласована с заказчиком.