Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра

     
ПРИЛОЖЕНИЕ 2

     
ОБОСНОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И МЕТОДА ДИНАМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ НА ДЕЙСТВИЕ ВЕТРА

1. СТРУКТУРА ТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА ВЕТРА

Ветер, возникающий в атмосфере, представляет собой турбулентное движение среды, которое характеризуется чрезвычайно нерегулярным и беспорядочным изменением скорости во времени в каждой точке пространства. Так же нерегулярно изменяется от точки к точке скорость потока, рассматриваемая в заданный момент времени.

Мгновенное значение скорости в турбулентном потоке можно представить как результат наложения пульсационной составляющей скорости на ее среднее значение. Если пульсационная составляющая равна нулю, движение является ламинарным.

Ламинарное движение становится турбулентным, когда число Рейнольдса превосходит некоторое критическое значение, т.е. , где - характерная скорость потока, - ето характерный размер. соответствует условиям, когда силы инерции, действующие между удаленными друг от друга объемами воздуха, обладающими разной скоростью движения, становятся настолько большими по сравнению с силами вязкости, что формируется устойчивый турбулентный поток. Элемент этого потока с некоторым характерным размером (масштабом) называется турбулентным вихрем [19, 32].

По А.Н.Колмогорову [29], турбулентное движение в атмосфере представляет собой процесс последовательного распада крупномасштабных вихрей (вихрей первого порядка), возникающих в неустойчивом осредненном потоке при больших числах Рейнольдса, на вихри с меньшими масштабами (вихри высокого порядка). Этот процесс продолжается до тех пор, пока влияние вязкости на мелкомасштабные вихри с достаточно малым числом Рейнольдса уже ощутимо и препятствует образованию вихрей более высокого порядка.

Кинетическая энергия турбулентного движения переходит от вихрей большого масштаба, черпающих свою энергию от основного потока, к вихрям с меньшими масштабами, практически не диссипируясь. Диссипация энергии потока (переход кинетической энергии в тепло) происходит в самых мелкомасштабных вихрях.

Средняя величина турбулентной энергии, отнесенной к единице массы, равна полусумме средних квадратов пульсаций продольной, поперечной и вертикальной составляющих скорости ветра. Распределение энергии по высоте зависит от неоднородности подстилающей поверхности и температурной стратификации атмосферы. При больших скоростях ветра температурная стратификация близка к безразличной, поэтому в дальнейшем пульсация составляющих скорости рассматривается только при этом состоянии атмосферы.

Напомним, что стратификация называется безразличной, если температура во всем слое, начиная от поверхности земли, падает, причем градиент по всему слою одинаков и составляет не более 1°/100 м.