Обтекание здания воздушным потоком

Обтекание зданий потоком воздуха является сложным физическим процессом. Перед зданием и за ним образуется область так называемого отрывного течения или зона аэродинамического следа (АС), структура воздушной массы в которой отличается от структуры набегающего потока. Иногда эти области называют застойной областью или застойной зоной, так как циркулирующий в ней воздух плохо обменивается воздухом с набегающим потоком.

Большое значение исследования зоны аэродинамического следа имеют для промышленных зданий, в которых осуществляется проветривание помещений с выделяющимися в них вредностями. Вредности могут поступать в зону АС и, следовательно, в приземные слои воздуха на промышленной площадке. Зоны отрывного течения находятся в контакте с наружными поверхностями ограждения, определяют величину давления ветра на них и влияют на организацию аэрации. Предметом изучения обычно являются распределение давления ветра на поверхности ограждающих конструкций, размеры зоны АС и особенности циркуляции воздуха в ней. Эти сведения позволяют решать вопросы размещения воздухозаборных устройств и вытяжных шахт, определять требуемую высоту шахт, организовывать и рассчитывать аэрацию.

Здания традиционной формы являются плохо обтекаемым телами, а обтекание их ветром сложным процессом из-за трехмерности препятствия и влияния подстилающей плоскости — поверхности земли. Набегающий поток воздуха образует зону циркуляции у наветренной поверхности здания. При этом поток ветра затормаживается, кинетическая энергия этой части потока переходит в потенциальную, и статическое давление в зоне АС возрастает. Увеличение статического давления происходит постепенно по мере приближения к зданию. Максимальное превышение над статическим давлением невозмущенного потока ветра статическое давление циркуляционной зоны достигает на поверхности наветренного фасада. В зоне аэродинамического следа на наветренной стороне здания статическое давление выше, чем в невозмущенном потоке. Часть воздуха наветренной зоны в виде вихрей уходит на заветренную сторону здания. На заветренной стороне здания образуется несколько вихрей, создающих заветренную циркуляционную зону. Зона АС как бы дополняет форму здания до удобообтекаемой и тем самым уменьшает потери энергии в потоке ветра, обтекающего здание с боков и сверху.

Схема обтекания здания потоком воздуха а — вертикальный разрез, б — схема движения воздуха в зоне аэродинамического следа 1 — граница между вихрями в зоне аэродинамического следа, участок с нулевой скоростью движения воздуха; 2- зона избыточного давления, 3-здание; 4 — зона разрежения и вихревого движения воздуха; 5 — обратные потоки воздуха, входящие в зону аэродинамического следа; 6 — граница зоны аэродинамического следа; 7- граница влияния здания на поток воздуха; 8- вихре- образные потоки воздуха из зоны избыточного давления в зону разрежения

К заветренной циркуляционной зоне воздух поступает как поверх крыши, так и с боков. На заветренной стороне здания статическое давление в циркуляционной зоне меньше, чем в невозмущенном потоке ветра. Характерная особенность циркуляции в зоне Дс — наличие приземного потока воздуха, направленного к зданию в заветренной зоне, и навстречу ветру — в наветренной. В заветренной части зоны этот поток приносит к воздухозаборным устройствам и к приточным аэрационным проемам вредности, поступившие в зону АС.

Особенности циркуляции воздуха вблизи здания делают целесообразным устройство воздухозаборных устройств на боковых фасадах и фронтальных в местах, примыкающих к торцам здания вблизи углов. Это решение справедливо еще и потому, что направление ветра изменчиво: наветренная сторона может стать заветренной, ветер может набегать на одну из боковых сторон, и т.д. Учитывая слабую проветриваемость циркуляционных зон, выброс загрязнений должен осуществляться за пределами зоны аэродинамического следа, в противном случае, может произойти накопление вредных выделений в приземном слое вблизи здания и концентрация их может превысить допустимый уровень. Наиболее полно изучено обтекание модели отдельно стоящего здания в устоявшемся воздушном потоке аэродинамической трубы, представленные на рисунке.