Устройство для моделирования структуры воздушных потоков в населенном пункте
Полезная модель относится к моделированию структуры воздушных потоков в населенных пунктах. Техническим результатом, на достижение которого направлена данная полезная модель является снижение трудоемкости и сокращение времени на проведение исследований структуры воздушного потока в населенном пункте. Кроме того, предлагаемое техническое решение обеспечивает наглядность представления аэрационной обстановки между зданиями и сооружениями при различных ветровых условиях и позволяет оценить действующие ветровые нагрузки на здания и сооружения. Устройство для моделирования структуры воздушных потоков в населенном пункте, содержащее блок 1 ввода данных, связанный с входом блока 2 определения поля скоростей воздушного потока, блок 3 представления графической информации, снабжено базой данных 4 рельефа местности и базой данных 5 зданий и сооружений, блоком 6 формирования модели населенного пункта, блоком 7 задания диапазонов значений модуля скорости воздушного потока, соединенным с блоком 8 формирования диаграммы ветровой нагрузки. Последний подключен к блоку 3 представления графической информации и связан с выходом блока 2 определения поля скоростей воздушного потока, другим входом связанного с блоком 6 формирования модели населенного пункта, также связанным с блоком 1 ввода данных, базой данных 4 рельефа местности и базой данных 5 зданий и сооружений. Результатами численного моделирования аэрационной обстановки на местности методом дискретных вихрей являются: поля скоростей, цветовые диаграммы распределения модуля скорости и диаграммы аэрационных зон, построенных для расчетных сечений, и цветовые диаграммы значений ветровых нагрузок, действующих на поверхности зданий и сооружений. Результаты расчетов сохраняют на носителе информации с возможностью дальнейшего продолжения счета, просмотра и проведения исследований структуры воздушного потока для любых дополнительных расчетных сечений.
Полезная модель относится к моделированию структуры воздушных потоков в населенных пунктах.
Известны различные средства исследования и визуализации структуры воздушных потоков, включающие в себя модели, помещенные в аэродинамическую трубу, например, средства, которые реализуют способ визуализации структуры воздушных потоков, заключающийся в том, что производят моделирование объемной структуры потоков промышленных площадок предприятий с разновысотными произвольно расположенными зданиями, описанный в патенте России №1766166 (G01M 9/00, G09B 25/02, 1995). Макет исследуемого объекта, смоделированный с учетом рельефа местности, обдувают в аэродинамической трубе. Обдув осуществляют в направлениях, соответствующих розе ветров на местности исследуемого объекта. Фиксируют картины потока в циркуляционных зонах. После сажемасляного метода визуализации в циркуляционных зонах устанавливают тонкие стержни (струны) с цветными нитями, обработанными антистатиком. Затем в граничных областях циркуляционных зон пропускают струйки дыма. Структуру воздушных потоков фиксируют на фотопленку и переносят в виде векторов на генплан и аксонометрическую схему исследуемого объекта. Таким образом, получают комплексную качественную картину поведения воздушных потоков в пространстве площадки.
Очевидно, что указанные средства технически сложны, требуются изготовления моделей рельефа местности и моделей промышленных зданий в одном масштабе, что вызывает значительные временные и материальные затраты. Кроме того, сам процесс проведения экспериментальных исследований в аэродинамической трубе чрезвычайно энергоемкий. Последующая регистрация векторов направления воздушных потоков на фотопленку и дальнейшая обработка фотоснимков дает только качественную картину циркуляции воздуха и не позволяет оценить количественные значения скоростей потока в циркуляционных зонах. Это ведет к неэффективному использованию результатов экспериментальных исследований для оценки структуры воздушных потоков в расположении промышленных зданий на местности.
Другим техническим решением, позволяющим давать полную картину о структуре трехмерного течения, является устройство, содержащее блок ввода данных, связанный с
входом блока определения поля скоростей воздушного потока, блок представления графической информации (патент Японии №3174670, G01M 9/00, 1993). Блок вычисляет состояние и изменение в течение времени поля потока. Вычисления осуществляют на основе данных, отражающих состояние поля потока, записанных на внешнее запоминающее устройство, данных о положении частиц, записанных в RAM, и параметров дисплея. Указывается положение каждой частицы в некоторый момент времени и положение всех частиц, при помощи линий и символов на дисплее. Линии и символы имеют разные цвета для каждого слоя потока. Вывод на дисплей повторяется через определенные промежутки времени, что позволяет вывести на дисплей полную картину поля потока.
Использование данного средства исследования воздушного потока для визуализации движения атмосферных масс на объекте сложной конфигурации, каковым является населенный пункт. Процесс проведения экспериментальных исследований в аэродинамической трубе энергоемкий и требует при измерениях предварительной тарировки регистрирующей аппаратуры. Кроме того, при исследованиях на моделях сложно получить подобие аэродинамических процессов по сравнению с реальной структурой воздушного потока на местности.
Существенным недостатком перечисленных средств визуализации структуры воздушных потоков является трудоемкость дополнительных исследований при изменениях в планировке населенного пункта, что требуется, когда, например, необходимо узнать как повлияет строительство нового здания на структуру воздушного потока в уже существующей застройке и не приведет ли новое строительство к ухудшению аэрационной обстановки в данном районе: образованию областей с сильным воздушным течением или наоборот к образованию застойных зон и ухудшению условий проветривания территории.
Техническим результатом, на достижение которого направлена данная полезная модель, является снижение трудоемкости и сокращение времени на проведение исследований структуры воздушного потока в населенном пункте. Это особенно важно при решении оптимизационных задач в архитектурно-строительных мероприятиях, целью которых является нахождение оптимального расположения и оптимальной геометрии зданий с точки зрения аэрационной обстановки на местности. Получаемые результаты в процессе моделирования данным способом позволяют проводить оценку возможных последствий выброса загрязняющих веществ промышленными предприятиями на окружающую среду жилых массивов. Кроме того, предлагаемое техническое решение обеспечивает наглядность представления аэрационной обстановки между зданиями и сооружениями при
различных ветровых условиях и позволяет оценить действующие ветровые нагрузки на здания и сооружения.
Данный технический результат достигается тем, что устройство для моделирования структуры воздушных потоков в населенном пункте, содержащее блок ввода данных, связанный с входом блока определения поля скоростей воздушного потока, блок представления графической информации, снабжено базой данных рельефа местности и базой данных зданий и сооружений, блоком формирования модели населенного пункта, блоком задания диапазонов значений модуля скорости воздушного потока, соединенным с блоком ввода данных и блоком формирования диаграммы ветровой нагрузки, подключенным к блоку представления графической информации и связанным с выходом блока определения поля скоростей воздушного потока, другим входом связанного с блоком формирования модели населенного пункта, также связанным с блоком ввода данных, базой данных рельефа местности и базой данных зданий и сооружений.
Блок формирования модели населенного пункта снабжено блоком выполнен с возможностью формирования горизонтального сечения модели населенного пункта. Кроме того, устройство снабжено носителем информации для сохранения результатов моделирования структуры воздушных потоков.
На фиг.1 представлена структурная схема заявленной полезной модели.
На фиг.2 показано расположение зданий на исследуемой местности в соответствии с генеральным планом застройки (вид сверху).
На фиг.3 показано расположение зданий на исследуемой местности в соответствии с генеральным планом застройки (вид с южной стороны).
На фиг.4 стрелкой показано направление воздушного потока на бесконечности, для которого проводилось моделирование (вид с юго-запада).
На фиг.5 показано развитие вихревых следов за зданиями при выбранном направлении ветра (вид сверху).
На фиг.6 показано развитие вихревых следов за зданиями при выбранном направлении ветра (вид с юго-запада).
На фиг.7 представлено поле скоростей на исследуемой местности в выбранном сечении (вид сверху).
На фиг.8 показана цветовая диаграмма распределения модуля скорости в выбранном сечении (вид сверху).
На фиг.9 изображены аэрационные зоны в выбранном сечении (вид сверху).
На фиг.10 показано расположение вертикального сечения для определения поля скоростей по высоте здания.
На фиг.11 иллюстрируется развитие вихревого следа за отдельным зданием.
На фиг.12 представлено поле скоростей в вертикальном сечении по высоте здания.
На фиг.13 показана цветовая диаграмма ветровых нагрузок на поверхности рекламного щита.
Устройство для моделирования структуры воздушных потоков в населенном пункте, содержащее блок 1 ввода данных, связанный с входом блока 2 определения поля скоростей воздушного потока, блок 3 представления графической информации, снабжено базой данных 4 рельефа местности и базой данных 5 зданий и сооружений, блоком 6 формирования модели населенного пункта, блоком 7 задания диапазонов значений модуля скорости воздушного потока, представляющего собой отношение вычисленной местной скорости воздушного потока к скорости невозмущенного воздушного потока. Блок 7 соединен с блоком 1 ввода данных и блоком 8 формирования диаграммы ветровой нагрузки. Последний подключен к блоку 3 представления графической информации и связан с выходом блока 2 определения поля скоростей воздушного потока, другим входом связанного с блоком 6 формирования модели населенного пункта, также связанным с блоком 1 ввода данных, базой данных 4 рельефа местности и базой данных 5 зданий и сооружений. Блок 6 формирования модели населенного пункта выполнен с возможностью формирования горизонтального и/или вертикального сечения модели населенного пункта. Кроме того, в некоторых случаях, (например, в случае удаленного расположения отдельных составляющих заявленного устройства, в частности, удаленного расположения блоков 3 и 8) формирование модели населенного пункта в горизонтальном и/или вертикальном сечении, может быть обеспечено отдельным блоком 9, подключаемым к выходу блока 6 и осуществляющим разнообразные задаваемые сечения сформированной модели населенного пункта. Устройство также снабжено носителем информации для сохранения результатов моделирования структуры воздушных потоков.
Моделирование структуры воздушных потоков в населенном пункте осуществляется следующим образом.
На первом этапе с помощью блока 1 ввода назначают размеры моделируемой местности, отображаемой в виде масштабной сетки 1 (см. фиг.2) на блоке 3 представления графической информации. В качестве блока 3 представления графической информации может служить дисплей, либо проектор с экраном. На масштабной сетке 1 формируют модель населенного пункта в соответствии с генеральным планом застройки местности. Для моделирования населенного пункта используют базы данных 4 рельефа местности, базы данных зданий и сооружений. На фиг.3 представлен частный случай модели местности, расположенной на равнинном участке, с высотными и низковысотными зданиями различной конфигурации. Фиг.3 дает наглядное представление о высотности и
расположении зданий и сооружений на исследуемой местности в выбранном ракурсе просмотра - вид с южной стороны.
После ввода геометрии моделируемого участка местности с помощью блока 1 ввода данных задают направление и скорость невозмущенного потока ветра на бесконечности. На фиг.4 стрелкой показано направление невозмущенного ветра, для которого выполняется численное моделирование.
При осуществлении моделирования осуществляют расчет и отображают вихревые следы за зданиями и сооружениями, обеспечивая выполнение условия непротекания воздушным потоком поверхности зданий, сооружений и земной поверхности. При этом вихревые следы за зданиями и сооружениями моделируют и визуализируют поверхностями, образованными четырехугольниками, через поверхность которых нет протекания воздушного потока и вершины которых имеют скорость равную местной скорости потока. На фиг.5 и 6 показано развитие вихревых следов за зданиями при выбранном направлении и скорости ветра для различных ракурсов просмотра структуры воздушного потока: соответственно вид сверху и вид с юго-западного направления.
Поле скоростей можно определить в заданном горизонтальном сечении. На фиг.7 показано поле скоростей на исследуемой местности в горизонтальном сечении. Поле скоростей отображают отрезками, расположенными в расчетных точках сечения. При этом их длина пропорциональна значению скорости, а направление совпадает с направлением потока воздуха в данной точке. На фиг.7 наглядно показано изменение направления и скорости воздушного потока на местности под воздействием застройки, видны характерные участки образования застойных зон и зон критического ускорения потока. Как правило, расчеты поля скоростей в горизонтальном сечении проводят для высоты от 1,5 до 2 м над поверхностью земли. Ветровой поток на данной высоте оказывает основное влияние на комфортность нахождения людей на местности. По полученным результатам расчета поля скоростей строится цветовая диаграмма распределения модуля скорости в выбранном сечении (см. фиг.8) и выделяются аэрационные зоны с заданным диапазоном значений модуля скорости воздушного потока (см. фиг.9). Цветовые диаграммы получают закрашивая ячейки расчетного сечения цветом, соответствующим значению скорости воздушного потока в центре ячейки. Аэрационные зоны получают, закрашивая ячейки расчетного сечения в цвет, соответствующий данному диапазону скорости.
Выбор сечения в вертикальной плоскости позволяет провести анализ структуры воздушного потока по высоте местности и исследовать влияние рельефа местности (овраги, возвышенности), зданий и сооружений на восходящие и нисходящие потоки воздуха.
На фиг.10 показан пример сечения в вертикальной плоскости для отдельного здания, а на фиг.11 и 12 - результаты численного моделирования: на фиг.11 - вихревые следы за зданием, а на фиг.12 - поле скоростей в выбранном сечении.
Кроме того, при численном моделировании определяют аэродинамические нагрузки на здания и сооружения, обусловленные обтеканием их воздушным потоком, и представляют ветровые нагрузки в виде цветовой диаграммы на поверхности зданий и сооружений. При этом закрашивают ячейки поверхности зданий и сооружений цветом, соответствующим значению величины ветровой нагрузки на центр ячейки. В качестве примера на фиг.13 показано распределение нагрузки по поверхности плоского рекламного щита при действии на него воздушного потока в направлении, показанном стрелкой.
Результаты моделирования исследований сохраняют на носителе информации с возможностью дальнейшего просмотра результатов расчета и проведения исследований структуры воздушных потоков для любых других выбранных сечений. При этом сохраняется возможность продолжения расчета с последнего сохраненного шага моделирования.
Для обеспечения наглядности на всех этапах реализации предлагаемого способа моделирования структуры воздушных потоков в населенном пункте возможно осуществление просмотра моделируемой местности, структуры воздушных потоков, вихревых следов за зданиями и сооружениями, аэрационных зон под разными ракурсами обзора.
Получаемые результаты в процессе моделирования позволяют проводить оценку возможных последствий выброса загрязняющих веществ промышленными предприятиями на окружающую среду жилых массивов.
С помощью заявленного устройства может быть проведено моделирование обтекания воздушным потоком и других объектов, например, лесных насаждений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент России №1766166, МПК6 G01M 9/00, G09B 25/02, 1994 (Способ визуализации структуры воздушных потоков).
2. Патент Японии №3174670, МПК 6 G01M 9/00, 1993 (Способ и устройство для вывода на дисплей результатов анализа трехмерного потока).
1. Устройство для моделирования структуры воздушных потоков в населенном пункте, содержащее блок ввода данных, связанный с входом блока определения поля скоростей воздушного потока, блок представления графической информации, отличающееся тем, что снабжено базой данных рельефа местности и базой данных зданий и сооружений, блоком формирования модели населенного пункта, блоком задания диапазонов значений модуля скорости воздушного потока, связанным с блоком ввода данных и блоком формирования диаграммы ветровой нагрузки, подключенным к блоку представления графической информации и связанным с выходом блока определения поля скоростей воздушного потока, другим входом связанного с блоком формирования модели населенного пункта, также связанным с блоком ввода данных, базой данных рельефа местности и базой данных зданий и сооружений.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок формирования модели населенного пункта выполнен с возможностью формирования сечений модели населенного пункта.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что снабжено носителем информации для сохранения результатов моделирования структуры воздушных потоков.
