автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Ветровые нагрузки на элементы трехгранных башен и пакеты вытяжных труб

На правах рукописи

Атаманчук Алексей Вячеславович

ВЕТРОВЫЕ НАГРУЗКИ НА ЭЛЕМЕНТЫ ТРЕХГРАННЫХ БАШЕН И ПАКЕТЫ ВЫТЯЖНЫХ ТРУБ

Специальность 05.23.01 —строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Самара 2005

Работа выполнена на кафедре металлических и деревянных конструкций Самарского государственного архитектурно-строительного университета

Научный руководитель:

— доктор технических наук, профессор Холопов Игорь Серафимович

Официальные оппоненты:

— доктор технических наук, профессор Бальзанников Михаил Иванович;

— доктор технических наук, профессор Ольков Яков Иванович

Ведущая организация:

— ОАО "Самаранефгехимпроект"

Защита диссертации состоится «20» января 2006 г. в 1530 часов на заседании диссертационного совета Д 212.213.01 при Самарском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, д. 194, ауд. 0407.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного архитектурно строительного университета.

Автореферат разослан «_» декабря 2005 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, _ Коренькова С.Ф.

д.т.н., профессор: «/

¿$€>6 А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Интенсификация промышленного производства связана с увеличением объемов и степени концентрации вредных выбросов. Для охраны природы используют вынос предварительно очищенных газов из производственной зоны на высоту 150~500м с тем, чтобы рассеять их на значительную площадь и тем самым снизить концентрацию до безопасного уровня. При этом создаются мощные сооружения башенного типа, внутри которых располагаются вытяжные трубы диаметром 3^8м или самонесущие пакеты из нескольких труб. В химической, энергетической и нефтяной отрасли нередко возникают задачи, связанные с определением ветровой нагрузки, которая играет приоритетную роль в проектировании высотных сооружений.

В настоящее время стали широко применяться башенные сооружения, воспринимающие ветровую нагрузку от пакета из трех труб.

Большая высота, неблагоприятные аэродинамические формы поперечного сечения балок, стоек и связей, а также оборудования, находящегося внутри таких сооружений, делают их весьма чувствительными к действию ветра и требуют изменения традиционных подходов в проектировании вытяжных башен, внутри которых располагается пакет труб. Возникает вопрос по определению давления ветра не только на саму конструкцию решетчатой башни, но и на пакеты труб, которые находятся внутри башни и передают нагрузку от ветра на конструкцию башни.

В нормативных и различных других источниках литературы теоретическое определение давления ветра на пакеты труб практически отсутствует. Экспериментальные данные по обдувке труб в аэродинамической трубе содержат, как правило, информацию, которая применима лишь для узкого круга задач. Поэтому создание методики, с помощью которой можно было бы определить ветровое давление на поверхности близкостоящих труб, является актуальной задачей на сегодняшний день.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является определение ветровых нагрузок на башенные сооружения, включающие пакет из трех вытяжных труб, а также на сооружения в виде пакета из трех труб и определение качественных характеристик напряженно-, деформированного состояния элементов башни.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

♦ разработана методика и алгоритм расчета на основе метода конечных разностей (схема Мак-Кормака) для определения размеров области влияния ветрового потока на трубы и параметров ветрового потока на поверхности обтекаемых труб;

♦ определены аэродинамические коэффициенты для пакета, состоящего из трех труб, выполнены экспериментальные исследования в аэродинамической трубе; —.___

рос. национальная!

3 | библиотека i

!

♦ разработана методика определения ветрового давления для пакета из трех труб на основе метода конечных элементов с учетом и без учета обстройки с применением вычислительного комплекса АМБУЗ-РЬОТКАЫ',

♦ на основе статического и динамического расчета произведен анализ качественных характеристик напряженно-деформированного состояния (НДС) стальной вытяжной башни на действие ветровой нагрузки, определяемой по методике СНиП и по мегодике предложенной автором - с учетом и без учета влияния обстройки башни.

Объект исследования - трехгранная стальная вытяжная башня, внутри которой располагается пакет из трех труб.

Предмет исследования - ветровые нагрузки и их влияние на эксплуатационные характеристики объекта исследования.

Методы исследований. Экспериментальные методы исследования в аэродинамической трубе, методы математического моделирования, методы конечных разностей, метод конечных элементов.

Научная новизна полученных результатов.

Краткое содержание положений и результатов, полученных автором, состоит в следующем:

♦ Разработана новая теоретическая модель на основе метода конечных разностей (конечно-разностная схема Мак-Кормака) для определения аэродинамических коэффициентов для пакета труб. На основе этой модели определены параметры ветрового потока для последующего расчета на ЭВМ.

♦ Разработана расчетная модель на основе метода конечных элементов (МКЭ) с применением вычислительного пакета А7У5УБ-ПОТИ4N для определения ветровой нагрузки на три грубы и три трубы с обстройкой.

♦ Экспериментально и теоретически установлена зависимость аэродинамических коэффициентов от расстояния между трубами.

♦ Впервые установлен характер влияния обстройки и угла атаки ветрового потока для вытяжной башни, внутри которой находятся три газохода одинакового диаметра.

♦ Получены эпюры распределения ветрового давления на поверхности труб, входящих в пакет, а также интегральные характеристики ветровой нагрузки для труб и пакета в целом.

♦ Решена задача по определению нагрузки с учетом совместной работы пакета труб и обстройки башни.

♦ Установлено, что при обтекании ветровым потоком пакета труб под различными углами атаки возникают не только продольные и поперечные нагрузки от ветра, но и крутильные моменты.

Практическое значение результатов исследований.

1. На основе выполненных исследований разработана методика определения ветровой нагрузки на сооружения в виде пакета труб.

2. Предложена методика определения ветровой нагрузки на башенные сооружения, внутри которых располагается пакет из трех труб.

3. Получены данные, позволяющие оценить работу башенных сооружений с учетом ранее не учитываемых факторов, влияющих на работу башенных сооружений с вытяжными трубами.

Личный вклад соискателя. Приведенные в диссертационной работе результаты исследований получены соискателем самостоятельно. Личный вклад состоит в следующем:

- разработка методики расчета, алгоритма и программы для определения давления жидкости и газа на поверхности обтекаемых труб с помощью метода Мак-Кормака;

- экспериментальные исследования по обдувке пакета из трех труб в аэродинамической трубе;

- проведение численного эксперимента, связанного с обдувкой пакета из трех труб, с применением МКЭ (АЖУБ-ГЮТПАМ)-,

- статистическая обработка информации, полученной при проведении экспериментов, испытаниях;

разработка методики определения аэродинамических коэффициентов для пакета из трех труб, для пакета из трех труб с обстройкой, для обстройки вытяжной башни;

- проведение анализа качественных особенностей работы напряженно-деформированного состояния стальной вытяжной башни на основе статического и динамического расчета на действие ветровой нагрузки, определяемой по методике СНиП и по методике предложенной автором (определение ветровой нагрузки для пакета отдельно стоящих труб и для пакета труб с учетом обстройки башни).

- систематизация и научный анализ полученных данных.

Достоверность предложенных методик и алгоритмов расчета

подтверждается совпадением с результатами, полученными при решении тестовых примеров другими авторами, сравнением с экспериментом, а также сравнением результатов тестового примера с методикой СНиП 2.01.07-85* и использованием хорошо апробированных методов строительной механики и требований СНиП П-23-81 *.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы и материалы исследований докладывались и обсуждались: на международных научно-технических конференциях «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» (Самара 1996г., 2002г., 2005г.), на 4-ой Всеукраинской научно-технической конференции "Воздействия ветра на здания и сооружения" (гг. Донецк, Макеевка, 2001г.), на научно-технических

семинарах кафедры металлических и деревянных конструкций СГАСУ и

научно-технических конференциях СГАСУ (1996-2005 гг.).

Основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, приведены основные результаты, полученные автором, показана научная новизна, практическое значение.

В первой главе анализируются состояние вопроса и научные достижения в области исследования течения воздушного потока, воздействия ветрового потока на цилиндрические сооружения, воздействия ветра на башенные сооружения. Выполнен обзор научно-технической и нормативной литературы по трем направлениям исследований: 1) методика определения ветровой нагрузки на трубы; 2) экспериментальное определение газодинамических характеристик воздушного потока обдуваемого трубы в аэродинамической трубе; 3) анализ результатов расчета вытяжных башен на действие ветровой нагрузки.

Основы учения о движении потока жидкости и газа были заложены в работах J1. Эйлера (1707-1783), Д. Бернулли (1700-1783), Луи М.А. Навье (1821) и Джорджа Г. Стокса (1848). Явление перехода ламинарного течения в турбулентное было исследовано английским физиком О. Рейнольдсом.

Исследованиями в области влияния ветровых нагрузок на здания и сооружения занимался целый ряд отечественных и зарубежных ученых. Отметим здесь работы С.С. Жуковского, В.А. Коваленко, Р.И. Кинаша, Э. Симиу и Р.Х. Сканлана, Gu Ming, Huang Peng , Dong An-zheng, Zhao Guo-fan, Okada Hisashi, Okuda Yasuo, Kikitsu Hitomitsu, Ohashi Masamiki.

Большой вклад в исследование проблемы изучения аэродинамических характеристик потока для одиночной трубы и для труб, расположенных на небольшом расстоянии друг от друга внесли П. Роуч, , В.А. Гущин и В.Н. Коньшин, Н.М. Бычков, О.М. Кузнецов и С.Г.Попов, М.Ф. Барштейн, В.А. Локшин, А.П. Ортанский, Ф.П. Казакевич, В.Ф. Юдин и Л.С. Тохтарова, Н. Takami. В связи с развитием численных методов газовой динамики следует отметить научную школу академика О.М. Белоцерковского.

В работах М.И. Бальзанникова анализируется ветровой потенциал центральных регионов Российской Федерации, в частности Самарской области. Ю. Э. Сеницким, И. С. Холоповым разработана методика расчета зданий ГРЭС с подвесными котлами на пульсационную нагрузку от ветра. М.И. Казакевичем рассматриваются вопросы, связанные с аэродинамикой плохообтекаемых тел. Указания по определению аэродинамических коэффициентов для элементов круглого сечения, расположенных в ряд, приводятся в "Руководстве по расчету зданий и сооружений на действие ветра" ЦНИИСКа, разработанном М.Ф. Барштейном. В исследование ветровых воздействий и работы сооружений внесли большой вклад А.И.

Цейтлин, A.C. Бернштейн, A.A. Петров, Н.И. Гусева, И.А. Попов, Б.Г. Коренев и И.М. Рабинович. H.A. Поповым даны рекомендации по уточненному расчету зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки. Разработкой модели отрывного обтекания группы цилиндрических тел занимались В.Г. Шахов, В.В. Никонов.

В работах Е.В. Горохова, М.И. Казакевича, С.Н. Шаповалова, Я.В. Назима обобщены результаты исследований надежности и безопасности опор линий электропередачи с учетом действия ветровых нагрузок.

Исследованием в проектировании и эксплуатации вытяжных башен и высоких сгаюшностенчатых сооружений занимались М.Б.Солодарь, М.В Кузнецова., Ю.С. Шишкин, И.М. Беспрозванная, А.Г. Соколов, Г.М. Фомин, Е.В. Горохов, A.M. Югов, Е.В. Шевченко, Ю.П. Некрасов, Ж.С. Страшко, A.B. Перельмутер. В теорию развития методов расчета и практику проектирования пространственных стержневых конструкций и соединений большой вклад внесли Я.И. Ольков, В.А. Пермяков, С.Ф. Пичугин, Г.И. Белый, В.В. Егоров, A.C. Городецкий, JI.B. Енджиевский, В.Н. Гордеев, В.В. Зверев, А.И. Колесов, В.А. Савельев, B.C. Казарновский и другие исследователи.

Обзор исследований показывает, что, несмотря на достижения в области определения ветровой нагрузки на трубы и расчета вытяжных башен имеется ряд вопросов, которые не полностью изучены.

На основании обзора литературы и проведенного анализа состояния вопроса сформулированы цель и задачи исследования.

Во второй главе на основе метода конечных разностей (МКР) разработана теоретическая модель, предназначенная для определения параметров ветрового потока при обтекании отдельностоящей трубы или нескольких труб, находящихся на небольшом отдалении друг от друга. В рассматриваемой задаче движение газа описывается системой уравнений идеального (невязкого, нетеплопроводного) газа:

dpldt + dpU idx + dpV /ду = О,

dpU/dt + U(dpUjdx) + Y(dpU/dy) + (\/pXdPidx) = 0, ' *

dpV/dt + U(dpVjdx) + VißpV/ду) + (1 /р)(дР/ду) = О, del dt + д(е + P)U /Эх + Э(е + P)V/dy = О, где: е = р(е + О 5IV2) (2)

Здесь Р и р- давление и плотность; W- вектор скорости; е - полная энергия единицы объема газа; S- внутренняя энергия единицы массы. Систему уравнений можно замкнуть уравнением состояния калорически совершенного газа: р = ре(у -1), y = cpjcv-> s = cvT, где у - показатель адиабаты

Пуассона, Г-температура.

В декартовой системе записываются в виде:

5/ 8А дВ .

— + — + — = 0 81 сЬс '

координат уравнения газовой динамики

(3)

где:

р Ри ру

ри Л = р112 + Р , В = рС'У

рУ рЦУ рУ2 + Р

е (е + Р)Ц (е + Р)У

гп+ 1 к,I

Здесь: I/, V -проекции вектора скорости на оси X, у соответственно.

Численное моделирование газовых течений подразумевает постановку задачи Коши с начальными и граничными условиями. Значение

фракции в некоторый

момент времени (/ + ¿и) вычисляется по известным в нескольких узлах счетной сетки (рис. 1) значениям у» Здесь верхний индекс

п является счетчиком значений вдоль временной переменной / = пА>, а нижние индексы - /с,/ относятся к пространственным переменным: х = кс& у - /Ду ■ Совокупность узлов на временном слое I,

требуемых для вычисления одного значения на слое / + А/, называется шаблоном (рис. 1). /Х'1Я решения задачи используется двухшаговая схема Мак-Кормака (семь точек) с нецентральными разностями (рис. 1). Два шага вычислений - предиктор (5) и корректор (6) составляют явную двухшаговую схему Мак-Кормака. Для упрощения записи разностных принято схем вводить операторы осреднения и взятия разности: разность

вперед: /;=/,„-/,; разность назад: =/, -/,.,• Для декартовой

системы координат с учётом разности вперед и разности назад схема Мак-Кормака - предиктор и корректор (рис. 1) записывается следующим образом:

(4)

Рис. 1. Схема Мак-Кормака - семь

7к,! = Л", - ^ ¿¡А1.! -

Ах Ау

Ду 8

В схеме Мак-Кормака на двух последовательных шагах по времени попеременно используются конечные разности вперед и назад по пространственным переменным. На основе выбранного метода с применением схемы Мак-Кормака создан алгоритм и написана программа "packet tube", с помощью которой можно определять значение давления на поверхности труб от набегающего потока ветра, значения параметров воздушного потока и размеры области течения, размеры ячейки сетки, на которую разбивается рассматриваемая область.

Решена задача, связанная с исследованием характеристик ветрового потока для отдельностоящей трубы. При определении скоростей в области потока получено удовлетворительное расхождение (до 10%) с аналитическим решением. Решение задачи, связанное с определением давления на одну трубу, производилось при числах Рейнольдса Re=l, Re=20, 30<Re<5000, 5000<Re<20000 и Re>20000. Выполнено сравнение аэродинамических коэффициентов с данными, полученными по методике СНиП 2.01.07.-85*, с данными, приводящимися в книге Симиу и Сканлана "Воздействие ветра на здания и сооружения" и с результатами, вычисленными с помощью программы "packet tube". Полученные данные представлены в табл. 1: __._Таблица 1

№ п/п Число Рейнольдса Re Продольный аэродинамический коэффициент лобового сопротивления

СНиП 2.01.07.-85* packet tube Симиу

1 1 1,2 1,46 1,2

2 20 1,2 1,46 1,2

3 5000 1,2 1,53 1,2

4 15000 1,2 1,411 1,2

5 5*10" 0,8 0,88 0,6

Картины течения ветрового потока для одной трубы при числах Рейнольдса Re=l и Re=30, полученных с помощью программы "packet tube", представлены на рис. 2.

На основании полученных результатов установлено, что разрывы в ветровом потоке в исследуемом диапазоне чисел Рейнольдса отсутствуют. Определены основные соотношения между размерами потока, объекта и сетки.

При решении тестовых задач, связанных с обтеканием кругового цилиндра ветровым потоком метод конечных разностей дает удовлетворительное совпадение с известными теоретическими и экспериментальными данными. Однако при моделировании граничных условий на поверхности труб отмечены существенные отклонения от известных решений (20-25%). Для более точного определения давления на поверхности труб и соответствующих аэродинамических коэффициентов принято решение о переходе к расчету по методу конечных элементов.

приемное отверстие

измерительная труба

соединительным шланг

Berei

измерите пьный манометр

Рис. 3. Пакет труб экспериментальной модели

В третьей главе описывается проведение эксперимента, связанного с обдувкой модели пакета из трех труб в аэродинамической трубе замкнутого типа с открытой рабочей частью. Целью эксперимента была проверка предложенной теоретической модели путем определения избыточного статического давления на поверхности труб.

При проведении данной работы значительное внимание было уделено рациональному планированию методики и техники эксперимента, позволяющему сократить время его проведения, свести к минимуму ошибки, получив при этом достаточно достоверные данные.

Обдуваемая модель состояла из трех труб одинакового диаметра (рис. 3). Рассматривалось семь углов атаки ветрового потока от 0° до 180°, через каждые 30°.

В одной из труб модели находился датчик, измеряющий избыточное давление от набегающего потока ветра. Расстояние между трубами можно изменять.

Эксперимент проводился при числах Рейнольдса Re=4.6*104. При проведении эксперимента выбрано четыре варианта расстояния между центром диаметров труб L = d, 1.5d, 2d, и 3d (где d - диаметр одной трубы).

Для обработки экспериментальных данных написана программа «int» на языке С++, позволяющая определять продольный и поперечный аэродинамические коэффициенты Сх, Су как для одной трубы, так и для пакета труб в целом.

Анализ полученных и обработанных экспериментальных данных показал следующее: 1) Аэродинамический коэффициент труб, стоящих в одном пакете, перестает быть зависимым, когда L>3d. В этих условиях можно считать, что трубы следует рассматривать как отдельно стоящие. 2)Максимальный продольный аэродинамический коэффициент Сх=2,55 для пакета труб наблюдается в опыте, когда L=3d, при угле атаки ветрового потока ноль градусов. Максимальный поперечный аэродинамический коэффициент Су=-2.212 для пакета труб получен в опыте, когда L=3d, при угле атаки ветрового потока сто двадцать градусов. 3)Максимальный Сх=0.836 для одной трубы из пакета получен в опыте, когда L=3d, при угле ветрового потока сто восемьдесят градусов. Максимальный Су=0.- 76 для одной трубы из пакета был получен в опыте, когда L^d и угол атаки ветрового потока - девяносто градусов. 4) Чем меньше L, тем меньше аэродинамические коэффициенты для пакета труб (при числе Рей чольдса Re=4.6*10<).

В четвертой главе исследуется воздействие ветрового потока на пакет из трех труб с помощью метода конечных элементов (МКЭ). Исследование проводится с применением вычислительного газодинамического пакета ANSYS-FLOTRAN, основанного на МКЭ.

Целью численного эксперимента являлось: 1) определение значения величин давления, возникающего от ветрового потока, в точках на поверхности труб в диапазоне чисел Рейнольдса 1,33*106-18,75*106, соответствующих реальной ветровой нагрузки на башни для I—VII ветрового района; 2) получение интегральных характеристик потока (продольный и поперечный аэродинамический коэффициент) для каждой трубы и для всего пакета в целом; 3) для описания всей картины течения изучить величины и направления скоростей и характер течения в областях, расположенных около цилиндров.

Соотношения расстояний между трубами L/D принимались равными: L/D=1.5, 2 и 3 (где L - расстояние между центром диаметров труб, D -диаметр труб). Направление ветрового потока выбиралось от 0 и до 180 градусов с поворотом через каждые 30 градусов.

В результате были получены значения давлений на поверхности труб. Данные значений были проинтегрированы и получены значения продольных и поперечных аэродинамических коэффициентов для каждой трубы и для всего пакета в целом. Изменения продольного и поперечного аэродинамического коэффициента для пакета из трех труб, в зависимости от направления атаки газового потока и расстояния между центрами диаметров труб показаны на рис. 4 (а,б): з

■ Сх •Су

60 90 120 150 Угол атаки ветрового потока

а)

-С х ■Су

Угол атаки ветрового потока

б)

Рис. 4. Значения аэродинамических коэффициентов для пакета из трех труб, а) при ЬЯ)=1,5; б) при Ь/Т)=2;

Картины обтекания поверхности пакета труб, полученные в результате проведенного численного эксперимента при Ь/0=2, показаны на рис. 5.

В ходе исследований при выполнении эксперимента по определению ветрового воздействия на пакет из трех труб получены следующие результаты: 1) на основе метода конечных элементов разработана методика для определения параметров ветрового потока, обтекающего пакет труб; 2) уточнены основные размеры при построении и выборе рабочей области воздушного потока, определен размер и шаг ячеек сетки, а также шаг по времени; 3) полученное давление и визуализация течения в тестовых расчетах подтверждают достоверность предложенной методики; 4) сравнение

данных, полученных с помощью метода конечных элементов, с данными, полученными в аэродинамической трубе, показали совпадение с погрешностью от 10 до 20% (в запас); 5) получено значение давления на поверхности обтекаемых труб; 6) для определения продольного и поперечного аэродинамического коэффициента для пакета, состоящего из трех труб, построен график зависимости аэродинамических коэффициентов от расстояния между центром диаметров труб (рис. 4 а,б); 7) получены картины обтекания ветровым потоком пакета из трех труб, при различных углах ветрового потока и расстояниях между центрами диаметров.

Рис. 5. Картина обтекания поверхности пакета из трех труб при углах ветрового потока, равных 0°, 30°, 60°, 90°, 120°, 150°, 180 , при L/D=2.

В пятой главе исследуются особенности напряженно-деформированного состояния трехгранных башен, несущих пакет из трех вытяжных труб (рис.6). Наличие обстройки (вертикальные стойки башни) оказывает влияние при воздействии ветра на вытяжные трубы. Для определения этого влияния

выполнен дополнительный численный эксперимент на основе метода конечных элементов. Получены значения аэродинамических коэффициентов (рис. 7а,б и табл. 2) и определена картина обтекания элементов башни ветровым потоком (рис. 8).

Углы атаки ветрового потока

а)

Рис. б. Геометрическая схема пляжной башни с тремя газоотводящими стволами.

Углы атаки ветрового потока б)

Рис. 7. Значения аэродинамических

коэффициентов, а) для пакета из трех труб с учетом влияния обстройки, при Ь/Е>=1,5; б) для обстройки вытяжной башни

(вертикальные стойки).

На основе полученных данных по определению ветровой нагрузки рассматривается задача, связанная с анализом качественных характеристик напряженно-деформированного состояния элементов стальной башни с тремя вытяжными трубами.

Угол атаки 60 .

Жл

Угол атаки 90'.

Угол атаки 150 .

Угол атаки 180°.

Рис. 8. Картины обтекания пакета из трех труб с обстройкой при L/D=l,5.

Таблица 2

Аэродинамические коэффициенты для пакета из трех труб с учетом влияния

обстройки при Ь/Р=1,5

Угол атак и N Тр уб ы Аэродинамические коэффициенты Аэродинамические коэффициенты Схема распбложения номера труб, осей координат и направления ветрового потока

вчгяжные трубы обстройка пакет труб пакет обстройки

0° 1 Сх=0 6 Су=0 21 Сх=0 Су=-0 152 Сх=1 4 Су=0 64 Сх=0 64 Су=-0.25 ^р! О 2

2 Сх=0.4 Су=-0 28 Сх=0 33 Су=044

3 Сх=0 4 Су=0 71 Сх=0.31 Су=-0 54 О

30" 1 Сх=0 236 Су=0 252 Сх=0.163 Су=-0 022 Сх=-0 106 Су=0 405 Сх=0403 Су=-0.057 IV

2 Сх—0 115 Су=0 319 Сх=0 06 Су=-0 023

3 Сх=-0 227 Су=-0 166 Сх=0.18 Су=-0.012

60° 1 Сх=0 55 Су=0 06 Сх=011 Су=0.27 Сх=0.24 Су=0.5 Сх=043 Су=0.61 ооб

2 Сх=-0.07 Су=-0 106 Сх=0.113 Су=0.12

3 Сх=-0 237 Су=0 54 Сх=0.21 Су=0 22

90" 1 Сх=-0 03 Су=-0 28 Сх=0.1 Су=0.15 Сх=-0 46 Су=0.67 Сх=025 Су=0.32

2 Сх=-0 334 Су=0.06 Сх=0 05 Су=0 04

3 Сх=-0.1 Су=0 33 Сх=0.1 Су=0.13

120" 1 Сх=0.042 Су=0.486 Сх=-0.546 Су=0.066 Сх=-1.255 Су=0 901 Сх=-0.157 Су=0 472 к

2 Сх=-0.815 Су=0 Сх=0.313 Су=0.538

3 Сх=-0.482 Су=0 415 Сх-0076 Су=-0 132

150" 1 Сх=-0 219 Су=-0 259 Сх—0.01 Су=0.063 Сх=-0.298 Су=-0 295 Сх=-0 153 Су=0.377 кУ

2 Сх=0 257 Су=-0.114 Сх=-0.08 Су=0.162

3 Сх=-0.336 Су=0.078 Сх—0.063 Су=0.152

180" 1 Сх=0 127 Су=-0 01 Сх=-0 16 Су=0 038 Сх=-0 549 Су=-0 04 Сх=-0 745 Су=-0 16

2 Сх=-0 349 Су=-0 475 Сх=-0 296 Су=0 072

3 Сх=-0.327 Су=0.446 Сх=-0.289 Су=-0.27

Стальная типовая вьт-жная башня треугольного сечения в плане, высотой 180 м имеет три газоотводящих ствола, которые находятся внутри башни и опираются в горизонтальном направлении на обстройку в плоскости диафрагм (рис. 6). Архитектурное решение, рассматриваемой вытяжной башни, является по своей сути типовым. Подобная башня была запроектирована АО "УРАЛВНИПИЭНЕРГОПРОМ" на новой ТЭЦ г. Березники Пермской области.

Рассматривается три варианта действия ветровой нагрузки на башенное сооружение, несущее внутри обстройки пакт из трех труб (рис. 6):

1) ветровая нагрузка и на обстройку, и на пакет труб определяется в соответствии со СНиП 2.01.07-85*, как на отдельностоящие трубы;

2) ветровая нагрузка и на обстройку, и на пакет труб определяется в соответствии с данными, полученными автором (см. табл. 2);

3) ветровая нагрузка на пакет труб определяется в соответствии с данными, полученными автором в диссертации (глава 4), а на обстройку - по методике СНиП 2.01.07-85*.

Сравнение результатов усилий и характера деформаций элементов башни производились при направлении углов ветрового потока от 0° и до 180° через каждые 30°. В результате произведено: 1) сравнение усилий в элементах башни, полученных по трем вариантам приложения нагрузок; 2) сравнение линейных и угловых перемещений в элементах башни по трем вариантам приложения нагрузок; 3) сравнение линейных перемещений в зависимости от форм колебаний башни; анализ линейных перемещений в зависимости от вида загружения.

Усилия сравнивались как в абсолютных, так и в относительных значениях (в процентном соотношении). Причем, за основу, то есть за 100% принимались усилия в элементах башни, полученные от ветровых нагрузок, которые были определены по методике СНиП 2.01.07-85* при угле атаки воздушного потока равного 0°. Значения усилий в относительных единицах для вертикальных стоек и распорок конструкции показаны в таблицах 3 и 4.

Максимальные продольные усилия в вертикальных и горизонтальных стойках и распорках башни были получены при углах атаки ветрового потока равного 0 , 30° и 180°. Максимальные усилия в горизонтальных распорках башни, полученные от ветровой нагрузки, которая определялась с помощью разработанной методики, превышают до 40% усилия, возникающие от воздействия нагрузки определяемой в соответствии со СНиП 2.01.07-85*.

Значительные усилия в горизонтальных элементах башни говорят о возникновении эффекта закручивания конструкции вследствие неравномерности срыва вихрей воздушного потока, а также учета воздействия ветра под различными углами атаки.

Установлено, что влияние обстройки приводит к уменьшению ветровой нагрузки на пакет труб в треугольной башне. Анализ вклада по собственным

формам колебаний показал, что необходимо учитывать вклад от усилий и перемещений в элементах и узлах башни до пятой формы.

Таблица 3

Величины максимальных расчетных усилий в стойках (относительные

Угол атаки ветрового потока Расчетные сочетания усилий

численный эксп-т без обстр численный эксп-т с обстр-кой По результатам СНиП

N% М% Q% N% М% 0% N% м% Q%

0" 95 95 94 93 92 91 100 100 100

30° 61 85 85 60 83 82 86 87 86

60° 102 110 109 99 107 106 - - -

90" 61 85 85 60 83 82 - - -

120" 95 95 94 93 92 91 - - -

150" 61 85 85 60 83 82 - - -

180" 102 110 109 99 107 106 101 109 107

Таблица 4

Максим, 1льные усилия в горизонтальных распорках башни (относительные __значения) в %:_

Угол атаки Расчетные сочетания усилий

численный эксп-т без обстройки численный эксп-т с обстройкой По результатам СНиП

N% М% Q% N% М% Q% N% М% Q%

0" 108 79 100 99 92 100 100 100 100

;о" 84 52 50 79 53 50 89 117 100

60° 90 150 150 86 143 150 - - -

90° 84 52 50 79 53 50 - - -

120" 108 79 100 99 92 100 - - -

150" 84 52 50 79 53 50 - - -

180" 90 150 150 86 143 150 95 79 6

Анализ напряженно-деформированного состояния показал, что действие ветровых нагрузок на обстройку и пакет труб, вычисленных по методике СНиП 2.01.07-85*, приводит к завышению усилий и перемещений в элементах башни. При этом не улавливается закручивающий эффект от действия ветра.

В то же время сравнение второго и третьего вариантов определения ветровой нагрузки показал, что усилия и перемещения в обоих вариантах отличаются незначительно. При этом закручивающий эффект в том и другом варианте вызывает увеличение усилий в элементах диафрагм и раскосов.

На основании проведенного анализа напряженно-деформированного состояния и выпо .енных исследований по определению аэродинамических коэффициентов э втором разработана методика определения ветровой нагрузки на башенное сооружение трехгранной формы, несущее пакет из трех труб.

Основным отличием методики от СНиП 2.01.07-85* является

необходимость определять ветровую нагрузку одновременно по двум направлениям:

** = »«'о (6)

м>у<=щксу,, (7)

где: и>о - нормативное значение ветрового давления (п. 6.4, СНиП 2.01.0785*); к - коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте (п. 6.5, СНиП 2.01.07-85*); сх1, сух - аэродинамические коэффициенты для ¡-ой трубы (табл. 2). Коэффициент надежности по ветровой нагрузке у( следует принимать равным 1,4.

В связи с тем, что площадь (миделево сечение) раскосов и элементов диафрагмы составляет малую часть от площади вертикальных стоек и вытяжных труб, определение ветровой нагрузки на эти элементы следует выполнять (в запас) по СниП 2.01.07-85*.

Блок-схема определения аэродинамических коэффициентов приведена на рис. 9.

Рис. 9. Блок-схема определения аэродинамических коэффициентов при

расчете башен.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. С помощью метода конечных разностей построена новая теоретическая модель для определения аэродинамических коэффициентов и давления от ветровой нагрузки на трубы. Получены параметры ветрового потока. Разработаны алгоритмы и программа решения задачи определения ветровой нагрузки на пакет из трех труб.

2. На основе метода конечного элемента разработана методика численного эксперимента, получены значения аэродинамических коэффициентов и давления для пакета из трех труб, расположенных на расстоянии L=(1,5-3D). Получены картины обтекания ветровым потоком пакета из трех труб без учета и с учетом влияния обстройки.

3. Проведен эксперимент в аэродинамической трубе по обдувке модели пакета из трех труб, определены параметров ветрового потока на поверхности труб.

4. Произведен анализ качественных характеристик напряженно-деформированного состояния башни с учетом статического и динамического действия ветровой нагрузки. Установлено, что при воздействии ветра под различными углами атаки происходит закручивание конструкции башни.

5. Анализ напряженно деформированного состояния конструкций башни показал, что требуется учитывать три угла атаки ветрового потока: 0°, 30° и 180°. Вклад от усилий и перемещений в элементах и узлах башни необходимо учитывать до пятой формы собственных колебаний.

6. Влияние обстройки рассматриваемой вытяжной башни на пакет труб внутри башни приводит к снижению ветровых нагрузок и аэродинамических коэффициентов для труб пакета.

7. Разработана методика определения ветровой нагрузки на элементы башни с вытяжными трубами.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Атаманчук A.B./ Определение ветрового воздействия на пакеты труб// Исследования в обл. арх-ры, строит, и окруж. среды. Тезисы докл. 55-й обл. н-техн. конфер. СамГАСА, 1998.

2. Атаманчук A.B., Холопов И.С./Постановка задачи по определению нагрузки на пакет стальных труб// Исследования в обл. арх-ры, строит, и окруж. среды. Тезисы докл. 56-й обл. н-техн. конфер СамГАСА, 1999.

3. Атаманчук A.B., Холопов И.СУОпределение давления ветра на пакеты труб// Исследования в обл. арх-ры, строит, и окруж. среды. Тезисы докл. 57-й обл. н-техн. конфер. СамГАСА, 2000.

4. Атаманчук A.B., Холопов И.С./ Определение ветрового давления на пакет труб// Сборник научных трудов. "Современные строительные конструкции из металла и древесины". ОГАСА. Одесса, "ГМ", 2001.

5. Атаманчук A.B., Холопов И.С./Экспериментальное определение аэродинамических коэффициентов при воздействии ветровой нагрузки

на пакет из трех труб//Материалы 59 юбилейной региональной научно-технической конференции по итогам НИР СамГАСА, 2002.

6. Атаманчук A.B., Холопов И .С./ Использование метода Мак-Кормака для определения давления ветра на пакет труб// Материалы 59 региональной научно-технической конференции по итогам НИР СамГАСА, 2002.

7. Атаманчук A.B., Холопов И.С., Шахов В.Г./Проведение экспериментальных исследований по обдувке пакета из трех труб в аэродинамической трубе//Материалы международной научно-технической конференции "Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте" СамГАСА, 2002.

8. Атаманчук A.B., Шахов В.Г./ Использование метода Мак-Кормака для определения давления жидкости и газа на поверхности труб// Гидротехника и гидроэнергетика. "Проблемы строительства, эксплуатации, экологии и подготовки спец. Сб. трудов междунар. конференции" СамГАСА, 2002.

9. Атаманчук A.B., Холопов И.С., ЧернышевД.Д./Исследования воздействия ветрового потока на пакет из трех труб с помощью вычислительных комплексов метода конечных элементов// Материалы 61 региональной научно-технической конференции по итогам НИР СамГАСА, 2003.

10. Атаманчук A.B., Холопов И.С./Определение аэродинамических коэффициентов для пакета из трех труб// «Весник». Донбасская академия строительства и архитектуры. 2003-2(39).

11. Атаманчук A.B./ Экспериментальные исследования по обдувке пакета из трех труб в аэродинамической трубе// Проблемы оптимального проектирования сооружений (Доклады V-ro Всероссийского семинара). Новосибирск 2005.

12. Атаманчук A.B., Холопов И.С., Чернышев Д.Д./Ветровые нагрузки на элементы башни с вытяжными трубами// Строительный вестник Российской инженерной академии: Труды секции "Строительство" Российской инженерной академии. Вып. 6. РИА. - М., 2005.

13. Атаманчук A.B., Холопов И.С., Чернышев Д.Д./Исследования работы вытяжных башен с пакетом труб при воздействии ветровой нагрузки// Материалы международной научно-технической конференции. «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» СамГАСА, 2005.

14. Атаманчук A.B., Холопов И.С. Исследования воздействия ветрового потока на пакет из трех труб с помощью метода конечных элементов. //Известия высших учебных заведений. Строительство. №8, 2005г, с. 1116.

Подписано в печать 5.12.05. Формат 60x841/16. Печать оперативная. Уч.-изд. л.1,3. Усл. печ. л. 1,1. Бумага офсетная. Тираж 100 экз. Заказ №1162.

Самарский государственный архитектурно-строительный университет. 443001 Самара, ул.Молодогвардейская, 194.

Отпечатано с оригинала заказчика в тип. «ООО СЦП-м». 443030 Самара, ул. Галактионовская, 79, тел. 33-33-812

«j(P06Â

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ. ОБЩАЯ ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1 Исторический обзор и современное состояние вопроса.

1.2 Обзор исследований, связанных с аэродинамическими характеристиками обтекания труб.

1.3 Стальные башни и вытяжные трубы.

1.3.1 Конструкции башен с вытяжными трубами.

1.4 Цели и задачи исследования.

Глава 2. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ ГАЗА НА ПОВЕРХНОСТИ ОБТЕКАЕМЫХ ТРУБ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА МАК-КОРМАКА.

2.1 Математическая модель и уравнения газовой динамики на основе метода Мак-Кормака.

2.2 Алгоритм программы «packet tube», созданной для определения давления от набегающего газового потока на поверхности пакета труб.

2.3 Описание процедур для программы "packet tube".

2.3.1 Главная управляющая процедура.

2.3.2 Ввод исходных данных.

2.3.3. Определение размера шага сетки.

2.3.4. Определение области для всех труб.

2.3.5 Выделение области граничных точек для каждой трубы.

2.3.6 Ввод начальных условий для всей области сетки.

2.3.7 Граничные условия.

2.3.8 Управление счетом математической модели.

2.3.9 Предиктор.

2.3.10 Корректор.

2.3.11 Сглаживание счета для корректора.

2.3.12 Аппроксимация граничных точек трубы.

2.3.13 Печать результатов.

2.4 Решение задачи, связанной с определением параметров ветрового потока с помощью программы "packet tube".

2.5. Выводы и результаты по главе 2.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБДУВКЕ ПАКЕТА ИЗ ТРЕХ ТРУБ В АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ТРУБЕ.

3.1 Описание аэродинамической трубы.

3.2 Измерение скорости потока.

3.3 Описание экспериментальной модели.

3.4 Измерительные приборы и аппаратура.

3.5 Описание экспериментальной установки.

3.6 Постановка и планирование эксперимента.

3.7 Описание хода эксперимента.

3.7.1 Статистическая обработка опытных данных, полученных в ходе эксперимента.

3.8 Выводы по результатам эксперимента.

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ВЕТРОВОГО ПОТОКА НА ПАКЕТ ИЗ ТРЕХ ТРУБ С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

4.1 Постановка задачи.

4.2 Использование газодинамического пакета ANSYS - FLOTRAN.

4.3 Решение газодинамической задачи на основе метода конечного элемента.

4.3.1 Определение характеристик потока для одного цилиндра.

4.3.2 Определение характеристик потока для трех труб.

4.4. Выводы и результаты по главе 4.

Глава 5. ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ БАШНИ С ТРЕМЯ ВЫТЯЖНЫМИ ТРУБАМИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЕТРОВОЙ НАГРУЗКИ.

5.1. Методика определения ветровой нагрузки на элементы башни с тремя вытяжными трубами.

5.1.1 Общая характеристика исследуемых объектов.

5.1.2 Особенности воздействия ветрового потока на вытяжные сооружения.

5.1.3 Особенности формирования расчетной модели по МКЭ.

5.1.4 Планирование численного эксперимента при анализе воздействия ветрового потока на обстройку и пакет из трех труб.

5.2 Результаты численного эксперимента по МКЭ.

5.3 Анализ качественных характеристик напряженно-деформированного состояния элементов конструкции вытяжной башни с тремя вытяжными трубами.

5.3.1 Объемно - планировочное решение сооружения.

5.3.2 Конструктивное решение сооружения.

5.3.3 Определение нагрузок, действующих на конструкции башни и газоотводящие стволы.

5.3.4 Определение ветровой нагрузки на башню при учете влияния обстройки.

5.3.5 Вихревое возбуждение конструкций башни при взаимодействии с потоком ветра. Проверка на резонанс.

5.3.6. Анализ усилий в элементах башни.

5.3.7. Анализ перемещений в узлах башни.

5.4 Методика определения ветровой нагрузки на башенные сооружения и пакеты из трех труб.

5.5 Выводы и результаты по главе 5.

Интенсификация промышленного производства связана с увеличением объемов и степени концентрации вредных выбросов. Для охраны природы используют вынос предварительно очищенных газов из производственной зоны на высоту 15 0^-500м с тем, чтобы рассеять их на значительную площадь и тем самым снизить концентрацию до безопасного уровня. При этом создаются мощные сооружения башенного типа, внутри которых располагаются вытяжные трубы диаметром 3^8м или самонесущие пакеты из нескольких труб. Снижение концентрации использованных отходов необходимо для защиты на глобальном уровне мирового сообщества людей: защиты планеты Земля и её атмосферы, обеспечений условий сохранения и развития жизни на Земле и человечества в целом [17]. Данная задача является важной и с политико-экономической точки зрения в связи с подписанием Россией "Киотского" договора.

В химической и нефтяной отрасли нередко возникают задачи, связанные с определением ветровой нагрузки, которая играет приоритетную роль в проектировании высотных сооружений. В настоящее время широко применяются башенные сооружения высотой 150-К200м, воспринимающие ветровую нагрузку от пакета из трех труб [49].

Большая высота, неблагоприятные аэродинамические формы поперечного сечения балок, стоек и связей, а также оборудования, находящегося внутри такого рода сооружений, делают их весьма чувствительными к действию ветра и требуют изменения традиционных подходов в проектировании вытяжных башен, внутри которых располагается пакет труб.

Создание высотных конструкций сопровождается увеличением нагрузок на конструкции из-за увеличения мощности оборудования, учета динамических воздействий, природных условий и других факторов.

Возникает вопрос по определению давления ветра не только на саму конструкцию решетчатой башни, но и на пакеты труб, которые находятся внутри башни и передают нагрузку от ветра на конструкцию башни.

В нормативных и различных других источниках литературы теоретическое определение давления ветра на пакеты труб практически отсутствует. Экспериментальные данные по обдувке труб в аэродинамической трубе содержат, как правило, информацию, которая применима лишь для узкого круга задач. Поэтому создание методики, с помощью которой можно было бы определить ветровое давление на поверхности близстоящих труб, является актуальной задачей на сегодняшний день.

Данная диссертация посвящена определению ветровой нагрузки на пакет из трех цилиндрических труб, которые могут быть самонесущими, а также определению ветровой нагрузки на пакет из трех труб, находящихся внутри элементов башенной конструкции (обстройки). Трубы, входящие в пакет имеют одинаковый диаметр и располагаются относительно друг друга на различном расстоянии.

В данной работе исследуется:

1) Экспериментальные значения воздушного потока для пакета из трех труб, полученные путем обдувки в аэродинамической трубе, при различном расстоянии между центрами диаметров труб и различных углах атаки ветрового потока.

2) Поскольку в аэродинамической трубе практически невозможно промоделировать все параметры реального потока, разработана расчетная модель для пакета труб на основе метода Мак-Кормака позволяющая определять область и границы ветрового потока, а также задавать начальные и граничные условия на границе области потока и на поверхности пакета труб.

3) Исследуется воздействие ветра на пакет из трех труб с применением газодинамического комплекса ANSYS-FLOTRAN для анализа ветровой нагрузки.

4) Определяется влияние элементов башенной конструкции (обстройки), поддерживающих пакет из трех труб, на распределение ветрового потока.

5) Изучение качественных особенностей работы башен, внутри которых располагается пакет из трех труб, с учетом полученных характеристик ветрового воздействия на них.

Целью исследования является определение ветровых нагрузок на башенные сооружения, включающие пакет из трех вытяжных труб, а также на щ сооружения в виде пакета из трех труб и определение качественных характеристик напряженно-деформированного состояния элементов башни.

Научная новизна. Получены следующие новые результаты:

1. Разработана новая теоретическая модель на основе метода конечных разностей (конечно-разностная схема Мак-Кормака), для определения аэродинамических коэффициентов для пакета труб. На основе этой модели определены параметры ветрового потока для последующего расчета на ЭВМ.

2. Разработана расчетная модель на основе метода конечных элементов (МКЭ) с применением вычислительного пакета ANSYS-FLOTRAN, используя конечный элемент (КЭ) типа FLUID 141, для определения ветровой нагрузки на три трубы и три трубы с обстройкой.

3. Экспериментально и теоретически установлена зависимость аэродинамических коэффициентов от влияния расстояния между трубами. т

4. Впервые установлен характер влияния обстройки и угла атаки ветрового потока для вытяжной башни, внутри которой находится три газохода одинакового диаметра с расстоянием между центрами диаметров, равным полтора диаметра.

5. Получены эпюры распределения ветрового давления на поверхности труб входящих в пакет, а также интегральные характеристики ветровой нагрузки для труб и пакета в целом.

6. Решена задача по определению нагрузки с учетом совместной работы пакета труб и обстройки башни.

7. Установлено, что при обтекании ветровым потоком пакета труб под различными углами атаки возникают не только продольные и поперечные коэффициенты, но и крутильные моменты.

Конкретное личное участие автора в результатах, изложенных в диссертации, заключается в следующем:

- разработка методики расчета, алгоритма и программы для определения давления жидкости и газа на поверхности обтекаемых труб с помощью метода Мак-Кормака;

- экспериментальные исследования обдувки пакета из трех труб в аэродинамической трубе;

- проведение численного эксперимента с применением МКЭ (АЫБУЗ-РЬОТЯАЫ) связанного с обдувкой пакета из трех труб;

- статистическая обработка информации, полученной при проведении экспериментов, испытаниях;

- разработка методики определения аэродинамических коэффициентов для пакета из трех труб, для пакета из трех труб с обстройкой, для обстройки вытяжной башни;

- проведение анализа качественных особенностей работы НДС стальной вытяжной башни на основе статического и динамического расчета на действие ветровой нагрузки определяемой по методике СНиП и по методике предложенной автором (определение ветровой нагрузки для пакета отдельно стоящих труб и для пакета труб с учетом обстройки башни).

- систематизация и научный анализ полученных данных.

Достоверность предложенных методик и алгоритмов расчета подтверждается сравнениями с результатами, полученными при решении тестовых примеров другими авторами, сравнением с экспериментом, а также сравнением результатов тестового примера с методикой СНиП 2.01.07-85* и хорошо апробированных методов строительной механики и требований СНиП П-23-81*.

Практическая ценность заключается в следующем:

- применение разработанной автором методики на основе МКР (схема Мак-Кормака) позволяет определить наличие или отсутствие разрывов в потоке щ газа и установить основные соотношения между объектом и параметрами воздушного потока;

- на основе выполненных исследований разработана методика определения ветровой нагрузки на пакет труб. Предлагается методика с помощью, которой можно определить ветровую нагрузку на башенные сооружения включающие пакет из трех труб;

- на основании предложенной методики произведен анализ качественных характеристик с учетом статического и динамического расчета стальной вытяжной башни на действие ветровой нагрузки. В результате получены данные, позволяющие оценить поведение башенных сооружений с учетом ранее не учитываемых факторов, влияющих на работу башенных сооружений с вытяжными трубами.

Апробация. По материалам работы сделано 14 публикаций. Основные результаты работы и материалы исследований докладывались и обсуждались: на международной научно-технической конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» (Самара 1996г., 2002г., 2005г.), на 4-ой Всеукраинской научно-технической конференции "Воздействия ветра на здания и сооружения" (гг. Донецк, Макеевка, 2001г.), на научно-технических семинарах кафедры металлических и деревянных конструкций СГАСУ и научно-технических конференциях СГАСУ (1996-2005 гг.).

Диссертация состоит из введения, заключения и пяти глав, включает список литературы (126 наименования) и приложение (том II). Материал работы изложен на 187 страницах машинописного текста, содержит 14 таблиц, 54 рисунка, 4 фото.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

1. С помощью метода конечных разностей построена новая теоретическая модель для определения аэродинамических коэффициентов и давления от ветровой нагрузки на трубы. Получены параметры ветрового потока. Разработаны алгоритмы и программа решения задачи определения ветровой нагрузки на пакет из трех труб.

2. На основе метода конечного элемента разработана методика численного эксперимента, получены значения аэродинамических коэффициентов и давления для пакета из трех труб, расположенных на расстоянии Ь=( 1,5-КЗО). Получены картины обтекания ветровым потоком пакета из трех труб без учета и с учетом влияния обстройки.

3. Проведен эксперимент в аэродинамической трубе по обдувке модели пакета из трех труб, определены параметров ветрового потока на поверхности труб.

4. Произведен анализ качественных характеристик напряженно-деформированного состояния башни с учетом статического и динамического действия ветровой нагрузки. Установлено, что при воздействии ветра под различными углами атаки происходит закручивание конструкции башни.

5. Анализ напряженно деформированного состояния конструкций башни показал, что требуется учитывать три угла атаки ветрового потока: 0°, 30° и 180°. Вклад от усилий и перемещений в элементах и узлах башни необходимо учитывать до пятой формы собственных колебаний.

6. Влияние обстройки рассматриваемой вытяжной башни на пакет труб внутри башни приводит к снижению ветровых нагрузок и аэродинамических коэффициентов для труб пакета.

7. Разработана методика определения ветровой нагрузки на элементы башни с вытяжными трубами.

1. Айрапетов А.Б. " Критерий галопирования высотных сооружений в ветровом потоке". Тр. ЦАГИ 2003 №2643, с. 85-92.

2. Атаманчук A.B., Холопов И.С. Исследования воздействия ветрового потока на пакет из трех труб с помощью метода конечных элементов. //Известия высших учебных заведений. Строительство. №8, 2005г, с.11-16

3. Атаманчук A.B., Холопов И.С., Чернышев Д.Д./Ветровые нагрузки на элементы башни с вытяжными трубами// Строительный вестник Российской инженерной академии: Труды секции "Строительство" Российской инженерной академии. Вып. 6. РИА. М., 2005.

4. Атаманчук A.B., Холопов И.С./ Использование метода Мак-Кормака для определения давления ветра на пакет труб// Материалы 59 региональной научно-технической конференции по итогам НИР СамГАСА 2002.

5. Атаманчук A.B., Холопов И.С./ Определение ветрового давления на пакет труб// Сборник научных трудов. "Современные строительные конструкции из металла и древесины". ОГАСА. Одесса, "Город мастеров", 2001.

6. Атаманчук A.B., Холопов И.С./Определение давления ветра на пакеты труб// Исследования в обл. арх-ры, строит, и окруж. среды. Тезисы докл. 57-й обл. н-техн. конфер. СамГАСА, 2000.

7. Атаманчук A.B., Холопов И.С./Постановка задачи по определению нагрузки на пакет стальных труб// Исследования в обл. арх-ры, строит, и окруж. среды. Тезисы докл. 56-й обл. н-техн. конфер СамГАСА, 1999.

8. Атаманчук A.B., Холопов И.С./Экспериментальное определение аэродинамических коэффициентов при воздействии ветровой нагрузки на пакет из трех труб//Материалы 59 юбилейной региональной научно-технической конференции по итогам НИР СамГАСА 2002. 116

9. Атаманчук A.B., Холопов И.С./Определение аэродинамических коэффициентов для пакета из трех труб// «Весник». Донбасская академия строительства и архитектуры. 2003-2(39).

10. Атаманчук A.B./ Определение ветрового воздействия на пакеты труб// Исследования в обл. арх-ры, строит, и окруж. среды. Тезисы докл. 55-й обл. н-техн. конфер. СамГАСА, 1998.

11. Атаманчук A.B./ Экспериментальные исследования по обдувке пакета из трех труб в аэродинамической трубе// Проблемы оптимального проектирования сооружений (Доклады V-ro Всероссийского семинара). Новосибирск 2005.

12. Баженова Г.В., Л.Г. Гвоздева, Ю.П. Лагутов, В.Н. Ляхов, Ю.М. Фаресов, В.П. Фокеев. Нестационарные взаимодействия ударных и детонационных волн в газах. М.: «Наука» 1986. 100 с.

13. Барштейн М.Ф. "Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра". М.: Стройздат,1978. . с. /Центр, научн.-исслед. ин-т строит, конструкций им. В.А. Кучеренко. 5

14. Барштейн М.Ф. Динамический расчет высотных сооружений цилиндрической формы. В кн.: Исследования по динамике сооружений. -М.: Госстройздат, 1957, с 6-43.

15. Белоцерковский О.М. Численное моделирование в механике сплошных сред: 2-е изд., перераб. и доп. М.: Физматлит, 1994. -448с.

16. Беспрозванная И.М., Соколов А.Г., Фомин Г.М. Воздействие ветра на высокие сплошностенчатые сооружения. М., Стройиздат, 1976, 185 с. 19

17. Бычков Н.М., Диковская М.Д., Ларичкин В.В. Взаимодействие поперечного обтекаемого цилиндра с близко расположенным экраном // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. 1990, вып.1.-С.57-63. 10

18. Ван-Дайк "Альбом течений жидкости и газа": А56 Пер. с англ./ Сост. М.: Мир, 1986. -184 е., ил.

19. Воейков И. В., Чашечкин Ю. Д. " Гидродинамика цилиндра в стратифицированной жидкости". Препр. / Ин-т пробл. мех. РАН. — 1992. —№519.— С. 1—49.

20. Вольмир A.C. "Оболочки в потоке жидкости и газа: Задачи гидроупругости". М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1979, 320 стр.

21. Гнездилов В.А. "Разработка и исследование пространственных трубчатых конструкций, воспринимающих воздействие подвижных нагрузок". Автореф. на соискание уч. степ. канд. техн. наук. ЦНИИ строительных конструкций им. В.А. Кучеренко. М. 2000.

22. Горохов Е. В., Казакевич М. И., Шаповалов С. Н., Назим Я. В. "Аэродинамика электросетевых конструкций". Донецк, 2000. 336с.

23. Гущин В.А., Коньшин В.Н. Численное моделирование отрывных течений жидкости около цилиндра в широком диапазоне чисел

24. Рейнольдса. // Рациональное численное моделирование. М.: Наука, 1990, с. 62-69.

25. Жукаускас А., Улинскас Р., Картинас В. "Гидродинамика и вибрации обтекаемых пучков труб". Вильнюс, "Мокслас", 1984, таблиц 11, рисунков 167, библиографий 211, с. 312.

26. Кабельков В.А., Кабельков А.Н. " Параметрический резонанс в высотных сооружениях, подверженных действию ветровых нагрузок". Соврем, пробл. мех. сплош. среды: Тр. 5-й Междунар. конф. Ростов-на-Дону, 12-14 окт., 1999. Т.1 Ростов н/Д, 2000. - С. 96-100.

27. Казакевич М.И. "Аэродинамика мостов".- М.: Транспорт, 1987.-240с. 3

28. Казакевич М.И., Любин А.Б. "Проектирование металлических конструкций надземных промышленных трубопроводов". Киев, Бущвельник, 1989.

29. Казакевич Ф.П. Аэродинамическое сопротивление пучков труб при косом омывании их газовыми потоками. Тр. Днепропетр. ин-та инж. ж.-д. транспорта, 1958, вып. XXVI, с. 114-122.

30. Казарновский B.C. Исследование прочности стыковых сварных соединений трубчатых профилей при многократно повторных нагрузках//"Современные строительные конструкции из металла и древесины". Сборник научных трудов. ГМ. Одесса 1999.

31. Карпов В.Я., Карякин Д.А., Самарский A.A. "Принцип разработки прикладных программ для задач математической физики". //Журн. вычисл. математики и мат. физики.- 1978.-Т. 18, №2.-с.458-468.

32. Карсункин В.В., Морозов Г.Я. "Дефекты дымовых труб". Науч.-техн. калейдоскоп. 2000, №4, с.43-46.

33. Кинаш Р.И, Копылов А.Е. /Аэродинамические исследования четырех круглых цилиндров// Вестник НУ "Львовская политехника" "Теория и практика строительства".-2004.-№495.-С.88-92.

34. Коляда В. В., Павельев А. А. " Влияние перехода к турбулентности на начальном участке круглой трубы на интенсивность пульсаций скорости вне пограничного слоя". Тр. Центр, нн-та авиац. моторостр. — 1991. — № 1287. — С. 154— 163.

35. Кузнецов О.М., Попов С.Г. Вихри в плоском газодинамическом следе за цилиндром // Изв. АН СССР. МЖГ.-1967.-№2.-С.112-113.

36. Кутлер П., Сакел Л. "Трехмерная задача о взаимодействии ударных волн". Ракет, техника и космонавтика, 1975, т. 13, №10 стр. 127-136. 87

37. Дашков В.А. "Аэродинамическое сопротивление цилиндра в двухфазном потоке". Изв. РАН. Мех. жидкости и газа.—1992.— №1— С. 123—129.

38. Лойцянский Л.Г. Механмка жидкости и газа. М.: Наука, 1987. -840с.

39. Локшин В.А., Мочан С.И., Фомина В.Н. Обобщение материалов по аэродинамическим сопротивлениям шахматных поперечно омываемых пучков труб. Теплоэнергетика, 1971, № 10, с. 67-70.

40. Патанкар С. "Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости". М.: Энергоатомиздат, 1984. с. 130.

41. Петров A.A. " Оценка воздействия пульсационной ветровой нагрузки на вертикальные цилиндрические резервуары". Пром. и гражд. стр-во.- 1995 №5 - С. 23-24.

42. Петров К.П. "Аэродинамика тел простейших форм". М.: Факториал, 1998, 432с.

43. Попов Н. А. "Рекомендации по уточненному расчету зданий и сооружений на действие пульсационной составляющей ветровой нагрузки ". Москва. 2000. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. 106

44. Рихтмайер Р., Мортон К. "Разностные методы решения краевых задач". М.: Мир, 1972. 418с.

45. Роуч П. Вычислительная гидродинамика. М.: Мир, 1980. 7

46. Рукавишников В.А., Ткаченко О.П. "Нелинейные уравнения движения растяжимого подземного трубопровода: вывод и численное исследование". Прикладная механика и техническая физика 2003. 44, №4, с.144-150.

47. Рычков А.Д. "Математическое моделирование".

48. Севастьянова Е. В., Соловьева Е. В. " Исследование структуры течения около свободно колеблющихся цилиндрических тел различного поперечного сечения". Пром. аэродинам. — 1991. — № 4. — С. 206—220.

49. Седов Л.И. "Механика сплошной среды". М.: Наука, 1973., 536с. 18

50. Сеницкий Ю. Э., Холопов И. С. "Руководящий документ. Методика расчета зданий ГРЭС с подвесными котлами на пульсацию нагрузки от ветра". РД 34 72.099-91, МинЭнерго, М., 1991.

51. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения. -М.: Стройздат, 1984. с. 104-107.

52. СНиП 2.01.07.-85* "Нагрузки и воздействия".

53. СНиП 11-23-81** "Стальные конструкции".

54. Солодарь М.Б., Кузнецова М.В., Шишкин Ю.С. "Металлические конструкции вытяжных башен". Л., Стройздат, Ленингр. отд-ние, 1975. 186с.

55. Справочник по динамике сооружений. Под редакцией Коренева Б.Г., Рабиновича И.М. М. Стройиздат. 1972.

56. Сува Йосихидэ " Расчет аэродинамических высотных зданий". Nihon Kaze kogakkaishi. = J. wind Eng. -1999- 102, № 968 C. 36.

57. Уорминг Р.Ф., Кутлер П., Ломаке X. "Нецентральные разностные схемы второго и третьего порядков точности для решения нелинейных уравнений гиперболического типа". Ракет, техника и космонавтика, 1973, т.11, №2 стр.76-85.

58. Холопов И.С., Лосева И.В. "Расчет плоских систем методом конечного элемента". Учебное пособие.- Куйбышев: Куйбышевск. гос. ун-т, 1986. 88с.

59. Цейтлин А.И., Бернштейн A.C., Гусева Н.И., Попов И.А. Новая редакция раздела "Ветровые нагрузки", главы СНиП "Нагрузки и воздействия." СМиРС. № 6. 1987 г., с.28.

60. Шахов В. Г., Никонов В. В. Исследование моделирования двумерного вихревого нестационарного течения в многосвязной области//Известия вузов "Авиационная техника", 2002, №1, с. 2426.

61. Шахов В. Г., Никонов В. В. Разработка модели отрывного обтекания группы цилиндрических тел. //"Самолетостроение

62. России: проблемы и перспективы", тезисы докл. II Веросс. конф., Самара, СГАУ, 2000г., с.73-74.

63. Шейпак A.A. "Гидравлика и гидропневмопривод". Часть 1. Основы механики жидкости и газа. М.:2003. с.97.

64. Юдин В.Ф., Тохтарова JI.C. Аэродинамические сопротивления пучков ребристых труб в поперечном потоке газа. -Энергомашиностроение. 1972, № 9, с. 44-45.

65. Яненко H.H. "Вопросы модульного анализа и параллельных вычислений в задачах математической физики".//Комплексыпрограмм математической физики/Ин-т теорет. и прикл. механики СО АН СССР,- Новосибирск, 1980.-С.З-12.

66. Янкелевич В.И. "Условия работы и расчет дымовых труб". Аква-терм. 2002, №3, с. 72-74, 3 ил.

67. Янтахтов И., Зуравкова В. "Стальные и железобетонные конструкции". Строительство.- 1986. №6, с.21-25.

68. Вае Heon Meen, Takahashi Tsutomu, Shirakashi Masataka. " Характеристики схода продольных вихрей с двух крестообразно расположенных круговых цилиндров". Nihon Kikai gakkai ronbunshu. В. = Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. B. -1992. 58, №549. - C. 1572-1579.

69. Belonosov S. M. " Поперечные колебании жесткого цилиндра к вязком слабосжимаемом газе". Сов. Яп. Симп. по вычисл. аэродинам., Хабаровск, 9-16 сент. 1988: Тр. т. 1. - М., 1989 - С. 211216.

70. Choi Changkoon, Kim Yunseok. " Аэродинамический отклик трех близко расположенных круглых цилиндров, обтекаемых равномерным потоком. Отклик цилиндра, расположенного за двумя другими". Nihon Kaze kogakkaishi. = J. wind Eng. -1992- № 51 C. 15-26.

71. Curling L.R., Paidoussis M.P. " Измерение и определение характеристик пульсаций пристенного давления на связке цилиндров, продольно обтекаемых турбулентным потоком". Ч. I. Спектральные характеристики. J. Sound and Vibr. 1992. - 157, №3 -с. 405-433.

72. Curling L.R., Paidoussis M.P. " Измерение и определение характеристик пульсаций пристенного давления на связкецилиндров, продольно обтекаемых турбулентным потоком". Ч. 2. Временные характеристики. J. Sound and Vibr. 1992. - 157, №3 -с. 435-449.

73. Dong An-zheng, Zhao Guo-fan "Нечеткое определение фактического основного ветрового давления при структурном проектировании здания". Harbin dongye daxue xuebao J. Harbin Inst. Technol. 2003. 35, №4, p. 394-397.

74. Dulinska J., Flaga A." Численный расчет и структурный анализ башни охлаждения высотой 150 м при различных типах ветровой нагрузки". Arch. Civ. Eng. -1992. 38, №3 - С. 205-222.

75. Gu Ming, Huang Peng "История исследований и состояние вопроса о влиянии ветровых нагрузок на скопление высотных зданий". Tonngji daxue xuebao. Ziran kexue ban= J. Tonji Univ. Natur. Sci. 2003. 31, №7 c. 762-766.

76. Gu Ming, Shi Zongcheng, Zhang Feng. " Модельные измерения индуцированных ветром колебаний новой телевизионной башни в Шанхае". Zhendong yu chongji. = vibr. And shock. 1995. - 14. №2 -C.30-34.

77. Gu ZhiFu; Sun Tiafeng; He Dexin; Zhang Liangliang. " Распределения давлений на двух круговых цилиндрах расположенных поперек потока в сильно турбулентном течении с большим числом

78. Рейнольдса". Lixue xuebao = Acta mech. Sin. -1992. 24 №5 - C. 522. 528.

79. Hagashi Tsutomu, Yoshino Fumio, Wako Ryaji. " Аэродинамические характеристики цилиндра в потоке с неравномерным распределением скоростей по высоте цилиндра". JSME int. J. ser. b. 1993. 36, №17 с.36.

80. Hammache M., Gharib M. " Экспериментальное исследование параллельной и косой вихревых дорожек за круговыми цилиндрами". J. Fluid Mech. 1991. 232. - С. 567 - 590.

81. Нашре Е., Abadel А. " Поперечные колебания гибких сооружений при ветровом возбуждении". Bauingenieur. 1992. - 67, №7-8. - С. 327-337.

82. Holmes J.D., Paevere P. " Динамическая реакция сквозных башен на действие ветра". Nat. conf. Publ. / inst. Eng., Austral. 1994. - №94/8. -с. 333-335.

83. Jiang Hongping, Zhang Xiangting " Исследование вибраций башенных конструкций переменного сечения, вызванных ветровыми нагрузками". Zhendong yu chongji. = vibr. And shock. 1994. - 13. №1 - C.46-54.

84. Koniq Michael "Экспериментальное исследование трехмерного следа за цилиндрическим телом при малых числах Рейнольдса". Mitt. М Planck- inst. Stromungstorsch - 1993. -№-111 - с. I-III, 174.

85. Kozlowski Aleksander, Lukaszynski Jerzy, Reichart Adam, Stankiewicz Bogdan. " Некоторые проблемы прочности стальных дымовых труб". Zesz. Nauk. PRZESZ Bud. Inz. Srodow. -1990 №40.

86. Kuo Chen-Hsiung. " Визуализация структуры течения за двумя круговыми цилиндрами, расположенными рядом". Ргос. 3 rd Asian Symp. Visual., chiba. May 15-20. 1994: ASV; 94. Tokyo. 1994 - C. 186-192.

87. Kutler P. and Lomax H., "Shock-Capturing, Finite-Difference Approach to Supersonic Flows", Journal of Spacecraft and Rockets, Vol.8, Dec. 1971, pp. 1175-1182.

88. Kutler P., "Supersonic Flow in the Formed by Two Intersecting Wedges", ALAA journal, vol.12 May 1974, pp.577-578.

89. Kutler P., Sakell L, and Aiello G., "On the Shock-on-Shock Interaction Problem", ALAA journal, vol.13 March 1975, pp.361-367.

90. Lamk. M., Wong P.T.Y., Ко N.W.M. " Взаимодействие потоков за двумя круговыми цилиндрами различного диаметра, расположенными рядом". Exp. Therm. And Fluid Sei. 1993. - 7, №3 - С. 189-201.

91. Leonard A., Koumoutsakos P. "Исследование обтекания цилиндров численным вихревым методом". Nihon Kazekogakkaishi. = J. wind Eng. -1992- № 52 С. 345-355.

92. Liu Kalguo " Упрощенный расчет конструкций стальных башен". // Tumu gongcheng xuebao. = china civ. Eng. J. 1994. -27. №6. - C. 19-28.

93. Milfrod R.V. "Надежность высоких труб при воздействиях, связанных с колебаниями поперек ветрового потока". Structural reliability and cross-wind response of tall chimneys.- Engineering Structures, 1982, vol. 4, №4, p. 263-270.

94. Okada Hisashi, Okuda Yasuo, Kikitsu Hitomitsu, Ohashi Masamiki "Стратегия исследования ветровых нагрузок зданий в BRI и NILIM". NIST Spec. Publ. 2002, №987, с. 133-139.

95. Peil Udo. " Ветровые нагрузки на высотные сооружения". Mitt. Techn. Univ. Carolo Wilchelmina, Braunshweig. - 1995. - 30. №1. -C. 50-56, 58-64, 68-72.

96. Rising to the challenge // Structural Engineering.-2005/-vol.83, N 6.-p. 20-27 (англ.).

97. Rodi W. " Моделирование турбулентного обтекания плохообтекаемых тел". Nihon Kaze kogakkaishi. = J. wind Eng. -1992-№ 52 C. 1-17.

98. Sayers А.Т. " Срыв вихрей с групп трех и четырех равнорасположенных цилиндров в поперечном потоке". J. Wind Eng. and ind. Aerodyn. 1990. - 34, №2 - С. 213 - 221.

99. Seto M., Ahiborn В., Lefrancois M. " Проявление вверх по потоку эффекта отрыва вихрей от кругового цилиндра". Fluid Pyn. Res 1992. -9, №1-3. -С. 107-117.

100. Suzuki Toyohiko, Ochiai Yoshitaki. " Экспериментальные исследования частоты отрыва вихрей за круглым цилиндром в пульсирующем потоке". Nihon Kikai gakkai ronbunshu. В. = Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. B. -1991. 57, №535. - C. 849-854.

101. Takami H., Keller H.B. Steady two dimensional viscous flow of an incompressible fluid past a circular cylinder // Phys. Fluids. - 1969. -V.12, №12. - P.51-56.

102. Tordella D., Cancelli С. " Начало неустойчивости течения в следе за круговым цилиндром. Сравнение переходных режимов с моделью Ландау". Meccanica. 1991.-26, №2-3. С. 75-83.

103. Tsutsul Takayuki, Igarashi Tamotsu " Понижение лобового сопротивления кругового цилиндра". 4.2 Влияние чисел Рейнольдса. Nihon Kikai gakkai ronbunshu. В. = Trans. Jap. Soc. Mech. Eng. B. -1995. 61, №586. - C. 2069-2075.

104. Wang Z.J., Zhon J. " Показатели обусловленные вихревыми колебаниями двух жестко закрепленных упругих цилиндров". So R.M.C. Trans. A.S.M.E. J. Fluids Eng. 2003. 125, №3, c. 551-560.

105. Wu J.-S., Faeth G. M. " След за сферой покоящейся среде при умеренных числах Рейнольдса". AIAA Journal 1993. -31; №8 -С.1448- 1455.

106. Федеральное агентство по образованию РФ ГОУВПО Самарский государственный архитектурно-строительныйуниверситет1. На правах рукописи

107. Атаманчук Алексей Вячеславович

108. ВЕТРОВЫЕ НАГРУЗКИ НА ЭЛЕМЕНТЫ ТРЕХГРАННЫХ БАШЕН И1. ПАКЕТЫ ВЫТЯЖНЫХ ТРУБ0523.01 Строительные конструкции, здания и сооружения

109. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук (Том II. Приложения)

110. Научный руководитель: проф., д.т.н., Холопов И.С.1. Самара 2005г.