Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 6
I. АНАЛИЗ НЕКОТОРЫХ ЗАДАЧ АЭРОШМИКИ, СВЯЗАННЫХ С УЛУЧШЕНИЕМ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ НА СЕЛИТЕБНЫХ ТЕРРИТОРИЯХ 17
1.1. Анализ известных архитектурно-планировочных средств и методов строительной аэродинамики, применяемых с целью повышения устойчивости среды в зонах техногенного влияния 20
1.1.1. Примеры учета ветровых воздействий на микроклимат в практике градостроительства 21
1.1.2. Взаимодействие ветра с рельефом местности 27
1.1.3. О некоторых известных аэродинамических соотношениях в архитектуре и строительстве 30
1 1.4. Использование зеленых насаждений в зонах техногенного влияния 52
1.2. Анализ гидродинамических моделей ветровых течений в приземном атмосферном пограничном слое .64
1.2.1. Моделирование пограничного слоя атмосферы при стационарных условиях 65
1.2.2. Трансформация ветровых течений вследствие изменения шероховатости подстилающей поверхности.. 75
1.2.3. Основные уравнения и критерии, используемые для описания движения воздуха в турбулентном пограничном слое 84
1.2.4. Спектральные характеристики 93
1V3. Перенос пассивных примесей воздушным потоком и их распространение над поверхностями с широким спектром шероховатостей 97
1.3.1. О ситуации с загрязнением атмосферы примесями и мерах борьбы с ним, 97
1.3.2. Математические модели и расчетные методики рассеивания примесей 103
1 4. Краткие выводы і О?
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЕТРОВЫХ ТЕЧЕНИЙ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ СЕЛИТЕБНЫХ ТЕРРИТОРИЙ 110
2.Х. Полуэмпирическая теория турбулентного пограничного слоя атмосферы вблизи поверхностей с широким спектром шероховатостей НО
2.1.1. Физическая и математическая модели приземного слоя атмосферной турбулентности .III 2.Ї.2. Определение геострофической скорости ветра 122
2.1.3. Модель обтекания поверхностей с широким спектром шероховатостей 128
2.2. Трансформация воздушных потоков при обтекании
непроницаемых препятствий 139
2.2.1. Определение аэродинамической тени за препятствием 141
2.2.2. Влияние макро шероховатостей и рельефа местности на структуру приземного турбулентного слоя 149
2.2.3. Взаимодействие ветровой струи с плоской стенкой 156
2.2.4. Кинематика воздушного потока, обтекающего здание в форме параллелепипеда 153
2.3. Пульсационные характеристики и спектры воздушных течений в атмосфере 167
2.3.1. Структура турбулентных пульсаций 167
2.3.2. Спектральные характеристики 174
2.4. Краткие выводы 183
3. ФОРМИРОВАНИЕ КОМФОРТНОГО МИКРОКЛИМАТА И УЛУЧШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОБСТАНОВКИ ЗЕЛШ НАСАЖДЕНИЕМ У 186
З.Ї. Моделирование процессов движения воздуха сквозь зеленые насаждения 187
3.1 Д. Просачивание воздуха через плотную полосу зеленых насаждений 188
3.1.2. Обтекание ветром ажурной полосы зеленых насаждений 194
3.2. Трансформация воздушного потока над плотной
3.2.1. Изменение аэродинамических характеристик « ветрового потока над растительностью 198
3.2.2. Взаимодействие турбулентного потока воздуха с растительным покровом 201
3.3. Краткие выводы 209
4. ДИФФУЗИЯ ПАССИВНЫХ ЗАГРЯЗНЯЮЩИХ ПРИМЕСЕЙ И ТЕПЛОПЕРЕНОС В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ ГОРОДОВ И НАСЕЛЕННЫХ МЕСТ 210
4.1. Распространение загрязняющих примесей от источников 211
4.1.1. Диффузия примеси в стационарном приземном слое атмосферы 213
4.1.2. Турбулентная диффузия примеси от источника на поверхности земли 215
4.2. Перенос тепла в приземном слое атмосферы селитебных территорий 220
4.2.1. Профили температуры 224
4.3. О возможности снижения тепло- и массопереноса между подстилающей поверхностью и
ветровым потоком 229
4.4. Краткие выводы 236
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ЛАБОРАТОРНОЕ И МАШИННОЕ МОДЕЖРОВАНИЕ ВЕТРОВОГО МИКРОКЛИМАТА В ГОРОДСКИХ МИКРОРАЙОНАХ 237
5.1. Аналоговое моделирование обтекания ветром городской застройки 238
5.I.I. Описание метода и используемой методики ЭГДА - моделирования 244
5.Г.2. Описание метода ламинарной аналогии и конструкции щелевого лотка 248
5.1.3. Результаты исследования обтекания ветром одиночно расположенных непроницаемых тел и типовых зданий и сооружений 251
5.1.4. ЭГДА-моделирование обтекания воздушным потоком группы зданий и сооружений 258
5.2. Экспериментальные аэродинамические исследования ветрового режима селитебных территорий 265
5.2.Ї. Цели и задачи, план аэродинамических экспериментальных исследований 267
5.2.2. Описание аэродинамических установок, измерительной аппаратуры, методики экспериментов и объектов исследования 269
5.2.3. Результаты экспериментов в аэродинамических трубах 278
5.2.4. Анализ результатов лабораторных исследований 290
5.3. Численное моделирование на ЭВМ ветрового режима на селитебных территориях 292
5.3.1. Результаты моделирования на ЭВМ аэрацион ного режима в микрорайоне К-6 292
5.3.2. Анализ карт аэрационного режима микро района К-6 297
5.4. Краткие выводы 299
6.1. Климат и экология г.Ижевска 301
6.1.1. Особенности природно-климатических условий, рельефа местности и районной планировки г.Ижевска 302
6.1.2. Экологическая обстановка в г.Ижевске 310
6.2. Натурные экспериментальные исследования
ветрового микроклимата в жилых микрорайонах г.Ижевска 318
6.2.1. Методика проведения натурных исследований .318
6.2.2. Результаты натурных исследований в некоторых жилых микрорайонах г.Ижевска 321
6.3. Краткие выводы и рекомендации по улучшению архитектурно-планировочных решений 327
ВЫВОДЫ 332
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .3
Введение к работе
Актуальность проблемы
Важнейшей научно-технической и социальной задачей общества является коренная перестройка дела охраны природы с целью улучшения экологической обстановки, повышения эффективности ресурсосберегающих мероприятий, природопользования.
Современная практика градостроительства в промышленных районах требует учета загрязнения воздуха примесями и выбросами предприятий энергетики, машиностроения, транспорта. Ветер должен рассеивать вредные загрязнения, смешивать их с чистым воздухом и, уменьшая тем самым концентрацию, проветривать пространство между домами, улицы и переулки. Хотя стандарты для промышленных объектов уже установлены, оказывается, что законы, касающиеся окружающей среды, в частности, ветровых нагрузок на строительные объекты и загрязнений атмосферы, вызывают дальнейшие дискуссии и возникает необходимость в разработке новых, более точных методов расчета.
Развитие новых архитектурных форм, появление гибких, деформирующихся конструкций, новых строительных материалов требует изучения силового воздействия ветра. Необходимо изучить как воздействие ветрового потока на строительный объект, так и решать более сложную обратную задачу - как объект влияет на поток, трансформирует его, меняет характер течения. Поскольку ветровой поток является турбулентным, задача намного усложняется при рассмотрении обтекания комплекса зданий и сооружений с учетом рельефа местности, зеленых насаждений. 7
Результаты современных экспериментальных и теоретических исследований физики атмосферы, структуры сдвиговой турбулентности изменили многие прежние взгляды на развитие турбулентных процессов, механизм потерь энергии на турбулентное трение, трансформацию турбулентного потока при обтекании препятствий. Требуется создание новых полуэмпирических моделей и методов расчета, расширение лабораторных и натурных экспериментальных исследований турбулентных течений при обтекании сложных поверхностей в условиях тепломассообмена и диффузии примесей, чему и посвящена настоящая работа.
Актуальность поставленных и решаемых в диссертации научных и практических инженерных задач определяется также их значимостью для экологии и природопользования, решением санитарно-гигиенических и социальных вопросов улучшения комфортности условий проживания при принятии архитектурно-планировочных решений.
Целью работы является установление новых экологических закономерностей и аэродинамических соотношений для разработки и проектирования зданий и сооружений, принятия архитектурно-планировочных решений жилых микрорайонов и населенных мест, экологической экспертизы технологических и градостроительных проектов, а именно:
- разработка новых методов моделирования и исследования обтекания ветром зданий и сооружений, изменения ветрового микроклимата;
- разработка новой модели регулярной приземной турбулентности атмосферы на основе современных физических представлений о регулярной структуре турбулентного пограничного слоя;
- исследование влияния застройки, рельефа местности и зеленых насаждений на состояние воздушного потока вблизи земной поверхности;
- изучение распространения загрязняющих примесей на селитебных территориях;
- исследование теплообмена между зданиями и окружающей средой;
- проведение лабораторных и натурных исследований по изучению трансформации потоков на макетах жилых микрорайонов;
- прогнозирование экологической обстановки в районах городской застройки.
Общая методика исследований заключается в проведении комплексного теоретического и экспериментального исследования ветрового режима и переноса загрязняющих примесей на селитебных территориях с использованием моделей и макетов существующих и проектируемых объектов, а также натурных измерений.
Новые научные положения, защищаемые в диссертации, и разработанны лично соискателем:
- модель воздушных течений в приземном слое атмосферы, отличающаяся тем, что в ней учтены процессы квазипериодического обновления течения у поверхности, что отвечает современным взглядам на физику турбулентности, повышает надежность и точность при решении задач архитектурно-строительной аэродинамики;
- метод моделирования обтекания проницаемых зеленых насаждений ;
- новая модель обтекания ветром селитебных территорий как течения у поверхностей с изолированными и регулярными элементами шероховатости и исследование влияния шероховатости на структуру приземного турбулентного слоя;
- новые модели переноса и распространения загрязняющих примесей в приземном слое атмосферы;
- новые экологические закономерности и рекомендации по проектированию городских микрорайонов;
- новые соотношения для расчета турбулентного тепло- и массообмена при обтекании сооружений, полученные с позиции существования регулярных структур в пристенной турбулентности;
- способы снижения тепло- и массообмена зданий при обтекании ветром и улучшения микроклимата.
Обоснованность и достоверность научных положений показана сопоставлением с известными теоретическими результатами, а также постановкой собственных лабораторных и натурных экспериментов. В работе использовано 200 литературных источников отечественных и зарубежных ученых.Противоречащие известным экспериментальным данным предположения и гипотезы в работе не применялись. Для всех определяемых расчетным путем параметров наблюдается вполне удовлетворительная качественная и количественная корреляция с абсолютным большинством достоверных экспериментальных данных.Результаты проведенных исследований опубликованы в 13 статьях, 45 тезисах докладов, 4 отчетах по хоздоговорным и госбюджетным НИР. Научное значение. Работы проводятся по открытым планам научно-исследовательских работ кафедры гидравлики и теплотехники Ижевского механического института, Института научно-прикладных исследований "АЗРО" и Высшего колледжа "АЭРОМЕХ" при ШИ. Исследования выполнялись также по планам работы Головного научного направления ШЙ № 12 в рамках поднаправления "Фундаментальные и прикладные задачи гидродинамики", комплексной целевой программы Удмуртской Республики "Машиноетроение-90", научно-исследовательской программы "Комплексное использование природных ресурсов и развитие производственных сил Урала" программа "Урал" , координационному плану ШР в области механики Минвуза СССР на 1986-1990 г.г. п.3.1 , координационному плану АН СССР НИР по проблеме "Автоматизация научных исследований" п.1.12.6 на 1986-1990 г.г. В настоящее время работы проюдятся в рамках подпрограммы прикладных иссле дований федеральной целевой комплексной научно-технической программы "Экологическая безопасность России" 1993-1995 г «т. (п.3.3.1, 4.2.2, 3.1.5).
Проведенные исследования позволяют разрабатывать новые модели и методы решения задач инженерной экологии и архитектурно-строительной аэродинамики. На основе результатов работы можно поставить новые эксперименты по исследованию закономерностей обтекания ветром зданий, сооружений и зеленых насаждений, исследованию турбулентного переноса и распространения примесей, дать рекомендации по принятию правильных архитектурно-планировочных решений с целью улучшения микроклимата селитебных территорий. Практическая ценность полученных результатов заключается в разработке инженерных моделей и методов расчета для широкого круга задач инженерной экологии, архитектурно-строительной аэродинамики и природопользования, а также смежных областей аэрогидродинамики. Разработанные модели и методики использовались при выполнении госбюджетной НйР ГИС 1-67, хоздоговорных НИР ИС 1-86, ЭЮ-90, Э-179, В-ІЗ-90, BI4-90, а также при разработке архитектурных проектов жилого микрорайона "Южный" г.Ижевска и комплекса сооружений Ижевского механического института. Использование рекомендаций работы позволит улучшить экологическую обстановку, микроклимат районов, связанный с ветровым режимом.
Реализация выводов и рекомендаций осуществляется ОйСом горисполкома г.Ижевска, ОКСом Ижевского механического института, институтом "Удмуртграждан-проект" и архитектурно-планировочным управлением УР.
Результаты проведенных исследований использованы в учебном процессе Ижевского механического института и Высшего колледжа "АЭРОМЕХ" при УМА, включены в курсы лекций по архитектурно-строительной аэродинамике, теплогазоснабжению и вентиляции, прикладной механике жидкости и газа, инженерной экологии и охраны воздушного бассейна, гидравлики, на их основе созданы новые экспериментальные лабораторные установки и поставлены лабораторные работы.
Апробация работы. Результаты, изложенные в диссертации, докладывались в 1985-1993 г.г. на Международном форуме по тепло- и массообмену /Минск,1988/, IX Всесоюзной теплофизической школе /Тамбов,1988/, Ш Республиканской НТК "Учебно-исследовательские системы автоматизированного проектирования объектов архитектуры и строительства" /Ростов-на-Дону, 1990/, IX Зимней школе по механике сплошных сред /Пермь, 1991/, Международной конференции "Освоение Севера и проблема рекультивации" /Сыктывкар,1991/, Международном симпозиуме "Генерация крупномасштабных структур в сплошных средах"/Нермь, 1990/, Международной конференции "Проблемы токсикологии и прикладной экологии /Пермь,1991/, 1 Международном симпозиуме "Физические проблемы экологии, природопользования и ресурсосбережения" /Ижевск,1992/,ШК "Безопасность жизнедеятельности в Сибири и на Крайнем Севере" /Тюмень,1992/, 18 Международном конгрессе по теоретической и прикладной механике /Хайфа, Израиль, 1992/, II Международном симпозиуме УИТАМ по структуре турбулентности и снижению сопротивления /Цюрих,Швейцария,1989/ Международной конференции "Снижение сопротивления-89" /Давос, Швейцария,1989/, 5-ой Европейской конференции по жидкому состоянию материи /Москва, 1989/, II Международной школе "Модели механики сплошной среды" /Владивосток,1991/, I Евроконференции по механике жидкостей /Кэмбридж,Англия,1991/, других международных, Всесоюзных и республиканских конференциях.
Структура диссертации. Диссертация состоит из Введения, 6 глав основного текста, выводов и рекомендаций, списка литературы, приложений.
Объем диссертации 359 стр. машинописного текста, 81 рисунков, 15 таблиц. Список литературы 239 наименований.
