Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра

СООРУЖЕНИЯ ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ И СФЕРИЧЕСКОЙ ФОРМЫ

5.12. Высокие сооружения цилиндрической формы (дымовые трубы, мачты, градирни и т.п.) и элементы сквозных сооружений (трубчатые или из прокатных профилей) относятся к классу плохо обтекаемых тел.

Вследствие наличия трения в воздухе, около такого тела (например, бесконечного цилиндра), обтекаемого воздушным потоком, образуется так называемый пограничный слой, в котором скорость потока быстро падает до нуля у поверхности тела. Толщина этого слоя зависит от вязкости среды.

В начале движения, когда скорость мала, поток вокруг тела приближается к потенциальному. Пограничный слой служит своего рода прослойкой между потоком и цилиндром, и если в критических точках имеется повышенное давление, то оно передается телу через пограничный слой. Этим давлением пограничный слой как бы вытесняется к точкам В и Д, вследствие чего возникают течения от А к В и Д и от С к В и Д; с другой стороны, пограничную зону обтекает потенциальный поток. От этих противоположных токов за точками В и Д образуются симметричные парные вихри, которые смываются потоком. Такое расположение вихрей, однако, не является устойчивым, поэтому при дальнейшем увеличении скорости и соответственно числа Рейнольдса расположение вихрей становится асимметричным. Вихри отрываются попеременно с обеих сторон цилиндра, правильно чередуясь через определенные промежутки времени и образуя вихревую дорожку, которая называется дорожкой Бенара-Кармана (рис.4). Этот тип движения сохраняется в широком диапазоне чисел Рейнольдса. Наконец, при 10-2·10 пограничный слой становится турбулентным и срывается с поверхности цилиндра.

Рис.4. Характер обтекания цилиндра потоком жидкости

а - начало движения цилиндра; б - зарождение вихрей за цилиндром; в - неустойчивое состояние парных вихрей; г - периодический срыв вихрей за цилиндром

Турбулизация пограничного слоя приводит к заметному смещению линии отрыва вихрей по направлению к концу тела, так что область вихреобразований - турбулентный след за телом сужается, что приводит к уменьшению силы сопротивления. Коэффициент лобового сопротивления падает в несколько раз в сравнительно узком интервале чисел Рейнольдса. Это явление называется кризисом сопротивления.

На явление кризиса влияет степень турбулентности набегающего на тело потока. Чем она больше, тем ранее (при меньших ) наступает турбулизация пограничного слоя.

Различают следующие области изменения коэффициента при увеличении : докритическая при 1,5·10, критическая при 1,5·108·10, закритическая при 8·1010 и транскритическая при 10.

Периодический отрыв вихрей наблюдается при обтекании не только цилиндров, но также и других тел. Однако для призматического тела линии отрыва вихрей совпадают с угловыми точками поперечного сечения; коэффициент для таких тел от числа Рейнольдса практически не зависит.

В пп.12-20, табл.1, прил.1 приведены схемы распределения ветровой нагрузки и аэродинамические коэффициенты (коэффициенты давления и лобового сопротивления) для сферы, сооружений с круговой цилиндрической поверхностью (резервуары, башни, дымовые трубы), эллиптического цилиндра, цилиндрических панелей кругового и эллиптического поперечных сечений, аппаратов колонного типа и конструкций, образуемых из сфер. Там же даны коэффициенты для цилиндров с ребрами (выступами), для проводов и тросов.

5.13. Коэффициенты давления для оболочки градирни, наружная поверхность которой не имеет меридиональных ребер (умеренно шероховатая поверхность), принимаются по п.12, табл.1, прил.1 для 1. Коэффициенты давления для оболочки градирни с меридиональными ребрами, расположенными на расстоянии не более 1/50 длины окружности, и отношением высоты ребра к среднему диаметру оболочки 3,5·10 (с шероховатой наружной поверхностью) принимаются по п.14, табл.1, прил.1. Там же приведены коэффициенты разложения в ряд Фурье эпюры давления ветра по поверхности оболочки для умеренно шероховатых и шероховатых поверхностей.

Кроме внешнего давления на оболочку должно учитываться также распределенное по ее поверхности внутреннее давление с коэффициентом -0,5.

5.14. Нормальное к хорде ванты или наклонного трубчатого элемента нормативное значение ветровой нагрузки определяется по формуле

,                                              (7)

где ; - угол между вантой и направлением ветра; ; - угол наклона ванты к горизонту; - угол между плоскостями действия ветра и ванты (см. п.21, табл.1, прил.1).

Для элементов с 1,5·10 аэродинамические коэффициенты и принимаются по табл.5.

Таблица 5

Если плоскости действия ветра и ванты совпадают (0), то .

Приближенные значения и могут быть вычислены по формулам, приведенным в упомянутом п.21.