Программа числовых решений задач по аэромеханике движения воздушных потоков
в прилегающих поверхностей Земли
Для решения многочисленных задач по аэромеханике движения воздушных потоков в прилегающих поверхностей Земли разработана методика расчета на основе решения трехмерных уравнений Навье-Стокса при реальных температурах ветровых параметров и числах Рейнольдса в стационарной и нестационарной постановках, в виде программного модуля WINDLOAD к универсальному программному комплексу ANSYS CFX.
Программа WINDLOAD верифицирована по результатам испытаний моделей в аэродинамических трубах и с данными натурных замеров для группы высотных строений в реальной застройке (тестовые модели, ряда высотных комплексов Токио, Москвы, Владивостока и др. городов), а также ряда территорий (Австрии, Армении, Греции, Крыма, Венесуэлы, Эвенкии и др.). Установлена приемлемая для практики точность результатов расчета (расхождение с имеющимися экспериментальными данными не превышают более 15÷20%). Программа позволяет получать карты ветровых полей и ветроэнергетического потенциала регионов Земного шара, для выбора наиболее оптимального места под строительство ветроэнергетических станций ВЭС и генерируемой электроэнергии по дням в течение года; определения нагрузок на строения (высотные здания) и транспортные объекты (мосты, путепроводы); определения зон распространения и концентрации вредных веществ, вызванных пожарами и техногенными катастрофами (выбросы в атмосферу ядовитых газов и радиоактивных веществ); определение карт наиболее опасных зон в мегаполисах и городах для нахождения людей и транспорта, для раннего оповещения населения средствами массовой информации с наступлением урагана.
Программа позволяет в кратчайшие сроки получить полный анализ ветроэнергетических характеристик и ветровых полей любого региона земного шара. Например, оценка ветроэнергетического потенциала Армении с помощью данной методики была проведена за несколько дней. Аналогичная оценка инструментальными методами была получена National Renewable Energy Laboratory (NREL) США в течение 2 лет.
При выборе места под строительство ВЭС в первую очередь необходимо определить участки поверхности с наибольшим коэффициентом усиления скорости ветра при различных его направлениях по сравнению с прилегающими поверхностями, с целью наибольшего использования энергии ветра за счет увеличения дней в году с более высокой скоростью ветра по сравнению с прилегающими поверхностями. Этот фактор напрямую влияет на повышение суммарной величины годовой генерируемой электроэнергии ВЭС. В свою очередь коэффициент усиления скорости ветра зависит от рельефа местности и географического расположения региона, а так же от размещения ветроэнергетических установок (ВУ) на площадке ВЭС.
В настоящее время выбор места под строительство ВЭС осуществляется инструментальными методами с использованием многолетних метеорологических данных метеостанций и высотными мачтами с регистрирующими и передающим данными устройствами. Указанный инструментальный метод требует обработки большого объема многолетних наблюдений, финансовых затрат и времени.
Непродуманная “точечная застройка” высотными строениями резко меняет воздушные потоки. Высокие скорости ветра, образованные вокруг высотного строения, снижают уровень комфортности пешеходных зон, особенно при низких температурах. Недоучет ветрового режима при формировании высотных застроек может привести к увеличению скорости в микрорайонах высотной застройки до 20% и более процентов.
Архитектурные компании, выбирая место под высотные строения, должны учитывать фактор наличия зон с повышенным ветровым потенциалом, а также правильно расположить сооружения относительно друг друга (снижая влияние интерференции) и выбрать наиболее оптимальные аэродинамические формы для них. Проведение экспертизы проектов на воздействие ветровых нагрузок высотных строений и ветрового комфорта вблизи них должно стать обязательным при строительстве многоэтажных строений.
Существующие нормативные документы и методики не позволяют, быстро и с высоким качеством, получать карты ветровых полей и ветроэнергетического потенциала территорий со сложным рельефом земной поверхности и имеющиеся застройкой, в том числе высотных зданий и их комплексы (прежде всего, в условиях их компактного расположения и интерференции).
Методика может использоваться Гидрометеоцентрами для определения опасных зон в городской застройке при прохождении ураганов. В настоящее время оповещение о наиболее опасных зонах при ураганах не проводится.
Организациям и учереждениям предлагается программа WINDLOAD, а так же проведение по заявкам расчетов ветровых характеристик интерисующих регионов Земли, областей городской застройки, ветровых нагрузок на жилые и промышленные строения, мосты и др. объекты.