Badania wieży telekomunikacyjnej w tunelu aerodynamicznym
Wprowadzenie
Oddziaływanie wiatru na konstrukcje to jeden z kluczowych aspektów uwzględnianych w procesie projektowania. W szczególności trzeba o nim pamiętać w przypadku masztów i wież telekomunikacyjnych, które nierzadko sięgają wysokości powyżej 50 m n.p.t. Obowiązujące normy dotyczące obliczania siły wiatru opierają się jednak na istotnych uproszczeniach.
W praktyce może to prowadzić do przewymiarowania elementów konstrukcji i stosowania grubszych materiałów, niż jest to faktycznie konieczne. Warto więc zadać sobie pytanie: czy można w wiarygodny sposób ograniczyć te uproszczenia i wykazać, że wieżę da się „odchudzić”, zachowując jednocześnie wymagane warunki bezpieczeństwa?
Aby to sprawdzić, we współpracy z firmą Emitel S.A. przeprowadziliśmy badania w tunelu aerodynamicznym Laboratorium Inżynierii Wiatrowej Politechniki Krakowskiej. Celem eksperymentu było określenie wartości sił i momentów aerodynamicznych działających na model wieży kratowej o wysokości 52 m. Do badań wykorzystano trzy modele:
- segment pośredni w skali 1:5 (rys. 1b – schemat 2D)
- segment szczytowy w skali 1:3 (rys. 1a - schemat 2D)
- oraz model całej wieży w skali 1:20 (rys. 1c - schemat 2D)
Poniżej na rys. 1-3 przedstawiono schematy 2D oraz modele 3D i modele rzeczywiste wykorzystane do badań w tunelu:
Rysunek 1. Wizualizacja komputerowa poszczególnych modeli badawczych: a) model wieży w skali 1:20, b) model segmentu szczytowego w skali 1:3, c) model segmentu pośredniego w skali 1:5
Rysunek 2. Wizualizacja komputerowa poszczególnych modeli badawczych: a) model wieży w skali 1:20, b) model segmentu szczytowego w skali 1:3, c) model segmentu pośredniego w skali 1:5
Rysunek 3. Widok modeli wieży w przestrzeni pomiarowej tunelu aerodynamicznego: a) model segmentu szczytowego w skali 1:3, b) model segmentu pośredniego w skali 1:5, c) model wieży w skali 1:20.
Rysunek 4. W pomiarach uwzględniono również wpływ turbulencji, wywołanej przy pomocy kraty turbulizacyjnej, co pozwoliło dokładniej odwzorować rzeczywiste warunki panujące podczas podmuchów wiatru. Na rysunku przedstawiono wykorzystaną do badań kratę turbulizacyjną.
Pomiary wykonano dla 24 różnych kierunków wiatru – od 0° do 345° co 15°, wykorzystując obrotową platformę tunelu aerodynamicznego. Siły i momenty mierzono z użyciem zaawansowanej wagi aerodynamicznej. Poniżej przedstawiono przykładowe wyniki (rys..5), które pokazują, jak zmieniały się wartości oddziaływań w zależności od kierunku wiatru:
- globalny układ współrzędnych XYZ w odniesieniu do konfiguracji wieży wraz z generowanymi kierunkami wiatru w czasie badań w tunelu aerodynamicznym,
- zestawienie wyników pomiarów modelu wieży-Biegunowa poziomych sił działania wiatru
Badania prowadzone w tunelu aerodynamicznym to niezwykle cenne źródło wiedzy o rzeczywistym wpływie wiatru na konstrukcję. Pozwalają dokładnie określić, jak wiatr obciąża poszczególne elementy wieży, a uzyskane dane mogą stanowić mocny argument za możliwością redukcji ilości materiału, na przykład stali konstrukcyjnej, co bezpośrednio przekłada się na znaczące oszczędności w produkcji.
Z drugiej strony, prowadzenie badań w tunelu aerodynamicznym jest procesem kosztownym, czasochłonnym i wymagającym dużych nakładów pracy. Czy istnieje więc tańsza alternatywa?
Odpowiedzią są symulacje numeryczne CFD (ang. Computational Fluid Dynamics – obliczeniowa mechanika płynów), które pozwalają odwzorować przepływ powietrza wokół obiektu przy użyciu zaawansowanego oprogramowania opartego na metodzie objętości skończonych. Nasza firma ma już na koncie kilka projektów, w których dzięki symulacjom CFD udało się zoptymalizować konstrukcję wieży, potwierdzając jej wytrzymałość przy obciążeniu wiatrem oraz dowodząc, że podlega ona mniejszym siłom wiatru niż wynika to z obliczeń prowadzonych według norm.
Dlaczego zatem zdecydowaliśmy się na badania w tunelu aerodynamicznym?
Naszym celem było porównanie wyników badań tunelowych z rezultatami symulacji CFD i udowodnienie, że za pomocą metod numerycznych można stosunkowo tanio i szybko wyznaczyć siły oraz momenty aerodynamiczne działające na wieżę – uzyskując przy tym wyniki zbliżone do rzeczywistych.
W kolejnej publikacji podzielimy się z Wami takim porównaniem i skonfrontujemy wyniki otrzymane w tunelu z wynikami uzyskanymi na drodze symulacji.
Jeśli masz pytania lub zastanawiasz się nad wykorzystaniem symulacji CFD w swoich projektach – skontaktuj się z nami i dowiedz się, jak CFD może realnie przełożyć się na korzyści w Twoim przypadku.
