Использование ANSYS CFD при проектировании навесов для

Технологии
Использование ANSYS CFD
при проектировании
навесов для защиты
стадиона от осадков
34
Авторы: Bert Blocken, Twan van Hooff и Marjon van Harten,
Технический университет г. Эйндховена, Нидерланды
Моделирование ветра и дождя вокруг
стадиона позволяет спроектировать оптимальную конструкцию навесов или
крыши для защиты зрителей и игровой
зоны во время дождя и снега. Результаты
моделирования можно использовать при
проектировании будущих стадионов, а
также для диагностики и устранения проблем на действующих стадионах.
При проектировании спортивной арены необходимо учитывать учитывать множество факторов. В первую очередь, (поставить запятую)
конструкция стадиона должна учитывать интересы зрителей, т.е. обеспечивать комфортные условия для просмотра матчей. Кроме этого, во
время проведения футбольных матчей необходимо обеспечивать безопасность жизни и здоровья
зрителей и участников матчей, а также сохран-
Ñòàäèîí AFAS â Àëêìàðå
www.ansyssolutions.ru
ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012
ность окружающей среды. Плохие погодные условия резко создают дискомфорт для зрителей
на трибунах, ухудшают состояние игрового поля
и даже могут повлиять на результаты матча.
На полуоткрытых стадионах высокая скорость ветра оказывает негативное влияние как
на игроков, находящихся на поле, так и на зрителей, поскольку из-за ветра дождь проникает также и на трибуны. Ранее при проектировании стадионов специалисты не уделяли этому аспекту
особого внимания, и комфорт стадиона можно
было оценить только после завершения его строительства. Моделирование меняет этот подход.
Команда инженеров из Технического университета Эйндховена (Нидерланды) провела серию аэродинамических расчетов стадиона в
трехмерной постановке на базе программного
комплекса ANSYS Fluent, чтобы продемонстрировать влияние архитектурно-конструкторских решений на структуру воздушных потоков и на дождевую воду, поступающую под действием ветра.
Было исследовано 12 вариантов конструкции стадиона. Результаты моделирования позволили выявить наиболее неблагоприятные
зоны на трибунах, подверженные воздействию
косого дождя, а также определить скорость и направление ветра на игровом поле.
Результаты моделирования можно использовать при проектировании будущих стадионов,
а также для диагностики и устранения проблем
на действующих стадионах, например, с использованием специальных защитных влагоустойчивых красок в неблагоприятных зонах на зрительских трибунах. В будущем это должно позволить
сократить расходы на техническое обслуживание стадионов.
Дизайн стадионов и проблемы
моделирования
В Европе и во многих других странах стадионы
имеют открытую конструкцию, в которой навесы лишь частично закрывают трибуны и не выходят за пределы несущих конструкций стадиона. При этом в случае дождя с сильными порывами ветра большая часть зрителей на трибунах оказывается в некомфортных условиях.
В 2008 году впервые была опубликована
работа, посвященная численному моделированию ветра и дождя вокруг стадиона [1]. Авторы
проводили расчеты в двумерной постановке,
что отразилось на качестве и объеме полученных результатов. Подобные расчеты не позволяют учесть влияние геометрии стадиона и навесов на структуру воздушных потоков. Было
исследовано 7 вариантов конструкции стадиона. Результаты исследования показали, что
геометрия навесов оказывает сильное влияние
на состояние зрительских трибун и арены в целом — останутся они сухими или будут влажными из-за дождя.
Команда инженеров из Эйндховена пошла еще дальше и провела собственные расчеты в трехмерной постановке, что позволило
получить более реалистичные результаты, отражающие пространственный характер обтекания стадиона воздушными потоками с учетом дождя [2].
Одной из самой сложных задач было моделирование комплексной геометрии стадиона, включающей разномасштабные объекты, в
том числе очень мелкие. Кроме того, необходимо было учитывать широкий диапазон размеров капель дождя.
Ðàñ÷åòíàÿ ñåòêà ñ ëîêàëüíûì èçìåëü÷åíèåì
www.ansyssolutions.ru
ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012
35
Технологии
36
Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ âîêðóã ñòàäèîíà è íà èãðîâîì ïîëå äëÿ âàðèàíòîâ A-2 è Â-2
4 варианта геометрии несущих
конструкций и 3 варианта геометрии
навесов
В качестве базовой геометрии был выбран
стадион AFAS в Алкмаре (Голландия), который
является домашней тренировочной ареной
футбольной команды AZ Alkmaar. Стадион
вмещает в себя 17000 зрителей, его длина составляет 176,8 метров, ширина — 138 метров
и высота — 22, 5 метров. По всей окружности
стадиона установлен навес с наклоном 13 градусов.
Ñòðóêòóðà òå÷åíèÿ âîêðóã ñòàäèîíà íà âûñîòå 1 ì îò çåìëè äëÿ ÷åòûðåõ âàðèàíòîâ ãåîììåòðèè ñòàäèîíà
www.ansyssolutions.ru
ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012
Крыша стадиона в Алкмаре имеет необычный дизайн, который позволяет вносить изменения в процессе реконструкции с целью повышения комфорта зрителей при плохих погодных
условиях.
Инженеры рассмотрели 4 варианта геометрии стадиона: в варианте A несущие конструкции навесов располагались с двух сторон стадиона; в варианте B — с четырех сторон стадиона;
в варианте C — с четырех сторон стадиона, при
этом торцы трибун были закрыты; в варианте D
геометрия стадиона соответствовала закрытому
типу. Кроме того, инженеры исследовали 3 различных варианта конструкции крыши: крыша с
уклоном вниз (1), плоская крыша (2) и крыша с
уклоном вверх (3). Таким образом, всего было
исследовано 12 вариантов геометрии стадиона,
а конфигурация D-3 соответствовала текущему
дизайну стадиона AFAS.
При создании расчетной сетки у инженеров возникли проблемы, связанные с разно-
масшабностью элементов расчетной модели:
наибольший масштаб составлял 1-100 м, наименьший — 0,1 м и менее. Команда инженеров использовала нестандартный подход для
генерации сетки, чтобы обойти указанные ограничения. Для этого они сначала генерировали
серию двумерных структурированных сеток в
определенных сечениях модели, а затем преобразовывали ее в трехмерную сетку с помощью
операций вращения и перемещения. Такой подход позволяет точно контролировать качество
сетки, ее размерность и разрешение в локальных областях. Сетка имела высокое разрешение в пределах стадиона и более низкое на удалении от стадиона. Для лучшего отображения
структуры воздушных потоков, обтекающих
стадион, сетка также измельчалась в районе
навесов. Базовая топология сетки каждый раз
видоизменялась в соответствии с изменяемой
геометрией стадиона.
Òðàåêòîðèè äâèæåíèÿ êàïåëü æèäêîñòè äèàìåòðîì 1 ìì ïðè ðàçëè÷íûõ âàðèàíòàõ èíæåêöèè êàïåëü
www.ansyssolutions.ru
ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012
37
Технологии
38
Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà îñàæäåíèÿ êàïåëü æèäêîñòè íà òðèáóíàõ äëÿ âàðèàíòîâ A è B.
Структура воздушных потоков
Расчеты выполнялись в стационарной постановке с использованием Realizable k-ε модели турбулентности. При выборе модели турбулентности
инженеры опирались на результаты более ранних исследований, посвященных моделированию объектов соизмеримого масштаба [3, 4, 5].
По результатам моделирования, инженеры получили данные о структуре воздушных
потоков на игровом поле на высоте 1 м от земли для каждого из четырех вариантов геометрии несущих конструкций. При этом во всех
вариантах крыша была плоской. Было установлено, что вариант A-2 является самым неблагоприятным с точки зрения обеспечения комфортных условий для футболистов, находящихся на игровом поле. В этом варианте между
противоположными трибунами формируются
два больших стационарных вихря, вращающихся в противоположные стороны. Формирование этих циркуляционных областей связано
с отрывом потока на передних угловых кромках навесов. Аналогичные зоны возвратноциркуляционного течения формируются и в варианте B-2, сопровождающиеся небольшим
увеличением скорости потока в окрестности
углов стадиона.
Сравнивая картины течения вокруг стадиона, полученные для вариантов A-2 и B-2, можно
сделать вывод, что наличие трибун на короткой
стороне стадиона не оказывает заметного влияния на структуру потока, т. к. основная масса
www.ansyssolutions.ru
воздуха свободно попадает на игровое поле через открытые торцы трибун.
Совсем другую картину течения мы наблюдаем при закрытых торцах зрительских трибун
(вариант C-2). В этом случае в зазорах между
боковыми трибунами (справа и слева) формируются две мощных струи, направленных в центр
игрового поля.
В варианте D-2 получилась более сложная
структура течения, чем в вариантах A-2 и B-2.
Это связано с тем, что в этой конфигурации два
центральных вихря обладают меньшей интенсивностью, что способствует зарождению других вихрей с меньшими масштабами.
Отметим также, что в варианте D-2 потоки
воздуха частично попадают и на трибуны.
Траектории движения частиц дождя
Расчет траекторий движения частиц дождя был
проведен с использованием результатов, полученных при аэродинамическом расчете стадиона. Для этого капли воды диаметром 0,5 мм, 1
мм, 2 и 5 мм инжектировались с верхней поверхности расчетного домена. Горизонтальная составляющая скорости капли была задана равной
скорости ветра, вертикальная составляющая
скорости — скорости падения (витания) капли.
Капли воды диаметром 0,5 мм воспроизводили
моросящие осадки, для которых интенсивность
дождя не превышает 0,1 мм/час; капли воды диаметром 1 мм соответствовали осадкам средней
интенсивности (1 мм/час); крупные капли воды
ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012
39
Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà îñàæäåíèÿ êàïåëü æèäêîñòè íà òðèáóíàõ äëÿ âàðèàíòîâ C è D
диаметром от 2 до 5 мм имитировали ливневой
дождь с интенсивностью 10 мм/час и более.
Расчеты осаждения капель жидкости на
поверхности трибун, выполненные на основе
рассчитанных ранее траекторий капель, показали, что крупные капли за счет своей инерции
оседают быстрее на стенках препятствий, а более мелкие капли следуют линиям тока потока
воздуха. Поэтому в вариантах A и B, в которых
формируются крупные вихревые структуры
между противоположными трибунами, мелкие
капли заносятся ветром глубоко на трибуны вниз
по потоку воздуха.
В конфигурации C боковые трибуны наиболее подвержены влиянию дождя — особенно это
заметно в варианте с крышей с уклоном вверх.
В конфигурации D при любом варианте конструкции крыши, на трибуны попадает минимальное количество влаги, за исключением кресел и
трибун, расположенных вблизи игрового поля.
До недавнего времени архитекторы и дизайнеры не имели возможности точно оценить
степень комфортности стадионов при неблагоприятных погодных условиях и предложить альтернативные варианты конструкций. Данная работа показывает, как технологии вычислительной гидродинамики (CFD) могут быть использованы в этом контексте. С помощью CFD можно
исследовать структура потока воздуха на стадионе, рассчитывать линии тока и траектории движения капель жидкости при различных вариантах конструкции стадиона.
www.ansyssolutions.ru
Авторы планируют в будущем использовать методы оптимизации для определения оптимальных углов уклона крыши, обеспечивающих максимальные комфортные условия для
зрителей во время дождя и снега.
Ëèòåðàòóðà
[1] Persoon, J.; van Hooff, T.; Blocken, B.; Carmeliet,
J.; de Wit, M.H. On the Impact of Roof Geometry on
Rain Shelter in Football Stadia. Journal of Wind
Engineering and Industrial Aerodynamics. 2008,
Vol. 96, Issue 8–9, pp. 1274–93.
[2] van Hooff, T.; Blocken, B.; van Harten, M. 3D CFD
Simulations of Wind Flow and Wind-Driven Rain
Shelter in Sports Stadia: Influence of Stadium
Geometry. Building and Environment. 2011, Vol. 46,
Issue 1, pp. 22–37.
[3] Blocken, B.; Carmeliet, J. Validation of CFD
Simulations of Wind-Driven Rain on a Low-Rise
Building. Building and Environment. 2007, Vol. 42,
Issue 7, pp. 2530–2548.
[4] Blocken, B.; Poesen, J.; Carmeliet, J. Impact of
Wind on the Spatial Distribution of Rain over MicroScale Topography — Numerical Modelling and
Experimental Verification. Hydrological Processes.
2006, Vol. 20, Issue 2, pp. 345–368.
[5] Blocken, B.; Carmeliet, J.; Poesen, J. Numerical
Simulation of the Wind-Driven Rainfall Distribution
over Small-Scale Topography in Space and Time.
Journal of Hydrology. 2005, Vol. 315, Issues 1–4,
pp. 252–273.
ANSYS Advantage. Русская редакция | 18'2012