Větrné inženýrství - Wind engineering

Větrné inženýrství je podmnožinou strojírenství, pozemní stavitelství, meteorologie, a aplikovaná fyzika který analyzuje účinky vítr v přírodních a zastavěné prostředí a studuje možná poškození, nepříjemnosti nebo výhody, které mohou být výsledkem větru. V oblasti strojírenství zahrnuje silný vítr, který může způsobovat nepohodlí, a také extrémní větry, například v a tornádo, hurikán nebo silná bouře, což může způsobit rozsáhlé zničení. V polích větrná energie a znečištění ovzduší zahrnuje také slabý a mírný vítr, protože ty jsou relevantní pro výrobu elektřiny a rozptyl kontaminantů.

Větrné inženýrství čerpá meteorologie, dynamika tekutin, mechanika, geografické informační systémy a řada specializovaných inženýrských oborů, včetně aerodynamika a strukturální dynamika.[1] Použité nástroje zahrnují atmosférické modely, atmosférická mezní vrstva aerodynamické tunely, a výpočetní dynamika tekutin modely.

Větrné inženýrství zahrnuje mimo jiné:

  • Dopad větru na konstrukce (budovy, mosty, věže)
  • Komfort větru poblíž budov
  • Účinky větru na ventilační systém v budově
  • Větrné klima pro větrnou energii
  • Znečištění ovzduší v blízkosti budov

Větrné inženýrství může být statiky považováno za úzce spjaté s zemětřesení inženýrství a ochrana proti výbuchu.

Některé sportovní stadiony jako např Svícen Park a Stadion Arthur Ashe jsou známí svými silnými, někdy spletitými větry, které ovlivňují podmínky hry.

Dějiny

Větrné inženýrství jako samostatnou disciplínu lze vysledovat ve Velké Británii v šedesátých letech, kdy se na EU konaly neformální schůzky Národní fyzikální laboratoř, Building Building Establishment a jinde. Pojem „větrné inženýrství“ byl poprvé vytvořen v roce 1970.[2] Alan Garnett Davenport byl jedním z nejvýznamnějších přispěvatelů k rozvoji větrného inženýrství.[3] On je dobře známý pro vývoj Alan Davenport větrný nakládací řetězec nebo ve zkratce "větrný nakládací řetězec", který popisuje, jak různé komponenty přispívají k konečnému zatížení vypočítané na konstrukci.[4]

Zatížení budov větrem

Konstrukce budov musí zohledňovat zatížení větrem a ta jsou ovlivněna střih větru Pro technické účely lze profil výkonu a rychlosti větru definovat jako:[5][6]

kde:

= rychlost větru ve výšce
= gradientní vítr ve výšce gradientu
= exponenciální koeficient


Budovy jsou obvykle navrženy tak, aby odolávaly silnému větru s velmi dlouhou dobou návratnosti, například 50 let a více. Návrhová rychlost větru je určena z historických záznamů pomocí teorie extrémní hodnoty předpovídat budoucí extrémní rychlosti větru. Rychlost větru se obecně počítá na základě některých regionálních konstrukčních standardů nebo norem. Konstrukční normy pro zatížení větrem zahrnují:

  • AS 1170.2 pro Austrálii
  • EN 1991-1-4 pro Evropu
  • NBC pro Kanadu

Komfort větru

Příchod výškové budovy panelové domy vedly k obavám ohledně obtěžování větrem způsobeným těmito budovami chodcům v jejich blízkosti.

Od roku 1971 byla vyvinuta řada kritérií větrného pohodlí a nebezpečí větru na základě různých chodců, například:[7]

  • Dlouhé sezení
  • Krátké posezení
  • Procházky
  • Rychlá chůze

Jiná kritéria klasifikovala větrné prostředí jako zcela nepřijatelné nebo nebezpečné.

Stavební geometrie skládající se z jedné a dvou obdélníkových budov mají řadu známých efektů:[8][9]

  • Rohové proudy, známé také jako rohové trysky, kolem rohů budov
  • Průtok, také známý jako průchozí paprsek, v každém průchodu budovou nebo malou mezerou mezi dvěma budovami v důsledku zkratu tlaku
  • Vortex se vylučuje po budovách

U složitějších geometrií jsou vyžadovány studie komfortu větru pro chodce. Mohou použít vhodně zmenšený model v mezní vrstvě větrný tunel, nebo nověji, použití výpočetní dynamika tekutin techniky se zvýšil.[10] Počítají se rychlosti větru na úrovni chodce pro danou pravděpodobnost překročení, aby byla umožněna regionální statistika rychlostí větru.[11]

Svislý profil větru použitý v těchto studiích se liší podle terénu v blízkosti budov (který se může lišit podle směru větru) a je často rozdělen do kategorií, například:[12]

  • Exponovaný otevřený terén s malými nebo žádnými překážkami a vodní plochy při rychlosti větru použitelnosti
  • Vodní plochy, otevřený terén, louky a pastviny s několika dobře rozptýlenými překážkami s výškou obvykle od 1,5 do 10 m
  • Terén s četnými těsně rozmístěnými překážkami vysokými 3 až 5 m, například oblasti příměstského bydlení
  • Terén s četnými velkými, vysokými (10 až 30 m vysokými) a těsně rozmístěnými překážkami, jako jsou velká centra měst a dobře rozvinuté průmyslové komplexy

Větrné turbíny

Větrné turbíny jsou ovlivněny střihem větru. Vertikální profily rychlosti větru mají za následek různé rychlosti větru na lopatkách nejblíže k úrovni země ve srovnání s rychlostmi nahoře při pohybu lopatek, což má zase vliv na provoz turbíny.[13] Gradient větru může vytvořit velký ohybový moment v hřídeli dvoulisté turbíny, když jsou lopatky svislé.[14] Snížený gradient větru nad vodou znamená, že v mělkých mořích lze použít kratší a levnější věže větrných turbín.[15]

Pro větrné turbíny se změna rychlosti větru s výškou často aproximuje pomocí energetického zákona:[13]

kde:

= rychlost větru ve výšce [slečna]
= rychlost větru v určité referenční výšce [slečna]
= Hellmanův exponent (aka mocninový zákon nebo exponent ve smyku) (~ = 1/7 v neutrálním toku, ale může být> 1)

Význam

Znalosti z větrného inženýrství se používají k analýze a návrhu všech výškový budovy, kabelovévisuté mosty a zavěšené mosty, elektrické přenosové věže a telekomunikační věže a všechny ostatní typy věží a komínů. Zatížení větrem je dominantním zatížením při analýze mnoha vysokých budov, takže větrné inženýrství je pro jejich analýzu a návrh zásadní. Zátěž větru je opět dominantním zatížením při analýze a návrhu všech dlouhých rozpětí kabelové mosty.

Viz také

Reference

  1. ^ Hewitt, Sam; Margetts, Lee; Revell, Alistair (2017-04-18). „Budování digitální větrné farmy“. Archivy výpočetních metod ve strojírenství. 25 (4): 879–899. doi:10.1007 / s11831-017-9222-7. ISSN  1134-3060. PMC  6209038. PMID  30443152.
  2. ^ Cochran, Leighton; Derickson, Russ (duben 2011). "Pohled fyzického modeláře na výpočetní větrné inženýrství". Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 99 (4): 139–153. doi:10.1016 / j.jweia.2011.01.015.
  3. ^ Solari, Giovanni (2019). Wind Science and Engineering: Origins, Developments, Fundamentals and Advancements. Springerovy trakty ve stavebnictví. Cham: Springer International Publishing. doi:10.1007/978-3-030-18815-3. ISBN  978-3-030-18814-6.
  4. ^ Isyumov, Nicholas (květen 2012). „Značka Alana G. Davenporta ve větrném inženýrství“. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 104-106: 12–24. doi:10.1016 / j.jweia.2012.02.007.
  5. ^ Crawley, Stanley (1993). Ocelové budovy. New York: Wiley. p. 272. ISBN  978-0-471-84298-9.
  6. ^ Gupta, Ajaya Kumar a Peter James Moss (1993). Pokyny pro navrhování nízkopodlažních budov vystavených bočním silám. Boca Raton: CRC Press. p. 49. ISBN  978-0-8493-8969-6.
  7. ^ Komfort větru pro chodce kolem budov: srovnání kritérií pro komfort větru. Tabulka 3
  8. ^ Komfort větru pro chodce kolem budov: srovnání kritérií pro komfort větru. Obrázek 6
  9. ^ Účinky větru na chodce. Obrázek 3
  10. ^ Pokyny AIJ pro praktické aplikace CFD na větrné prostředí chodců kolem budov
  11. ^ Prostředí pro chodce kolem budov. p112
  12. ^ AS / NZS 1170.2: 2011 Strukturální návrhová opatření, část 2 - Zatížení větrem. Oddíl 4.2
  13. ^ A b Heier, Siegfried (2005). Gridová integrace systémů přeměny větrné energie. Chichester: John Wiley & Sons. p. 45. ISBN  978-0-470-86899-7.
  14. ^ Harrison, Robert (2001). Velké větrné turbíny. Chichester: John Wiley & Sons. p. 30. ISBN  978-0-471-49456-0.
  15. ^ Lubosny, Zbigniew (2003). Provoz větrných turbín v elektrických energetických systémech: pokročilé modelování. Berlín: Springer. p. 17. ISBN  978-3-540-40340-1.

externí odkazy