Наверное, каждый из нас замечал, что ветровые условия даже в пределах одного городского квартала могут кардинально различаться. Вот выходишь из подъезда — дует легкий ветерок, а стоишь повернуть за угол — и попадаешь в настоящую ветровую воронку. Практически в любом районе есть свои «аэродинамические ловушки», где гуляет ветер даже в штиль. Однако современное проектирование позволяет предотвратить такие проблемы на самой ранней стадии. Я хочу поделиться опытом, как мы использовали передовое программное обеспечение для создания комфортной ветровой среды при проектировании жилого комплекса.
Постановка задачи
К нашей компании обратилось архитектурное бюро с просьбой провести анализ воздушных потоков в проектируемом жилом квартале. Нам предстояло изучить, как ветер будет взаимодействовать со зданиями, чтобы предложить оптимальное расположение объектов для создания максимально комфортных условий для будущих жителей.
Выбор инструментов
Для выполнения этой работы мы выбрали Autodesk CFD — мощный программный комплекс, широко применяемый в строительной отрасли для анализа движения воздушных масс. Этот инструмент отлично справляется с такими задачами, как проектирование систем вентиляции, моделирование распространения дыма при пожаре, расчет ветровых нагрузок на фасады и многими другими. Важным преимуществом стало то, что исходная модель комплекса была создана в Autodesk Revit, что обеспечило простую интеграцию: любые изменения в архитектурной модели автоматически переносились в расчетную схему буквально парой кликов.
Основная цель исследования: оценить соответствие планировки жилого комплекса требованиям безопасности и комфорта с точки зрения распределения воздушных потоков между зданиями
Методика исследования
Исходная геометрическая модель представляла собой участок территории с расположенными на нем зданиями различной этажности (рис. 1).
Рис. 1. Геометрическая модель расчетной области Для CFD-моделирования мы дополнили архитектурную модель объемом воздуха, окружающим здания (рис. 2). Именно в этом объеме происходят все аэродинамические процессы, которые нам предстояло исследовать.
Рис. 2. Контуры геометрии расчетной модели Мы задали следующие граничные условия для моделирования:
1. На входной границе со стороны преобладающих ветров установили скорость воздушного потока 7,4 м/с — значение, соответствующее климатическим данным для данной местности.
2. На выходной границе задали атмосферное давление, позволяя воздуху свободно покидать расчетную область.
3. Боковые и верхнюю границы сделали скользящими, что позволило воздушным частицам двигаться только вдоль этих поверхностей без сопротивления.
Созданная расчетная сетка состояла из 3 178 823 элементов и 771 550 узлов (рис. 3), что обеспечило необходимую точность вычислений.
Рис. 3. Расчетная сетка Результаты анализа
На рисунке 4 показано распределение скорости воздуха в вертикальной плоскости вдоль направления потока. Хорошо видно, как за высокими зданиями формируются зоны с пониженной скоростью ветра, в то время как над крышами скорость соответствует исходным 7,4 м/с, что подтверждает корректность выбора высоты расчетной области.
Рис. 4. Скорость движения частиц воздуха Векторная диаграмма скоростей (рис. 5) демонстрирует образование воздушных завихрений с подветренной стороны зданий — именно эти зоны могут создавать дискомфорт для пешеходов.
Рис. 5. Векторы скоростей движения частиц в вертикальной плоскости, использованной на рис. 4 Горизонтальное сечение (рис. 6) наглядно показывает, что в плотной застройке скорость воздушного потока значительно ниже, чем на открытых участках.
Рис. 6. Распределение скоростей движения частиц воздуха в горизонтальной плоскостиЛинии тока (рис. 7) подтверждают, что в центре застройки скорость ветра минимальна. Также заметно изменение направления потока после прохождения через квартал — ветер отклоняется вправо.
Рис. 7. Линии тока частиц воздухаОбъемная изоповерхность для скорости 2 м/с (рис. 8) позволяет визуализировать зоны с замедленным движением воздуха. Все частицы внутри этой поверхности движутся со скоростью менее 2 м/с, что соответствует комфортным условиям для пешеходов.
Отдельно мы проанализировали распределение ветрового давления на фасады зданий (рис. 9). Эти данные crucial для последующих прочностных расчетов конструкций и оценки возможных сквозняков в помещениях.
Рис. 9. Давление ветра на фасады зданийРекомендации по оптимизации
На основе проведенного анализа мы разработали конкретные предложения по улучшению планировки квартала для достижения максимального климатического комфорта:
1. На рисунке 6 видны каналы с повышенной скоростью воздушного потока (зеленые зоны). Размещение дополнительных зданий в этих областях позволит снизить скорость ветра и создать более защищенные пространства.
2. Три высотных здания испытывают значительное ветровое давление (рис. 9), что неизбежно приведет к сильным сквознякам в квартирах, особенно на верхних этажах. Мы предложили перенести эти объекты на противоположную сторону микрорайона и выстроить их в линию по направлению ветра для снижения аэродинамического сопротивления.
Заказчик принял наши рекомендации к реализации: были изменены положения нескольких зданий для устранения наиболее критичных воздушных завихрений, показанных на рисунке 5. Эти меры позволили значительно улучшить ветровой режим на территории комплекса.
Полученный опыт проектирования с учетом аэродинамических особенностей будет применен заказчиком в будущих проектах для предотвращения негативных эффектов, связанных с распределением воздушных потоков.
Еще по теме здесь: Советы.
Источник: Укрощение стихии: как проектируются жилые комплексы с комфортным климатом.