Struktura wiatru i badania modelowe obciążenia wiatrem budowli prostopadłościennych

Fragment wstępu:
"Oddziaływanie wiatru jest w wielu przypadkach czynnikiem decydującym o konstrukcji obiektów inżynierskich. W przypadku niektórych rodzajów budowli, różne formy oddziaływania wiatru i powodowane przez nie obciążenia, mogą stanowić wielkości wymiarujące przekroje poprzeczne elementów konstrukcyjnych. Niewątpliwie, na obszarach Ziemi narażonych na działanie wiatrów ekstremalnych (huraganów, tajfunów, itp.) i na których występują obiekty wysokie lub o dużych rozpiętościach, obciążenia związane z przepływem są najważniejszymi na etapie projektowania. W obecnych czasach, dążenia architektoniczne do projektowania coraz wyższych i dłuższych obiektów, a przy okazji smuklejszych, albo o nietypowych kształtach, powodują konieczność dokładnego i precyzyjnego przyjęcia obciążenia wiatrem. Dodatkowo, względy urbanistyczne, a więc otoczenie budowli i jej sąsiedztwo innych budynków, często również wysokich, powoduje powstawanie zjawisk związanych z oddziaływaniem wiatru w terenach zabudowanych. Pojawiają się wówczas dodatkowe obciążenia wywołane interferencją aerodynamiczną i różnymi przewężeniami przyspieszającymi przepływ. W wielu przypadkach, głównie budynków wysokich, oddziaływanie wiatru często determinuje kształt samej konstrukcji, przykładowo wymusza zastosowanie zaokrągleń naroży lub dodatkowych elementów w elewacji umieszczonych w narożach budynków, wykonanie otworów konstrukcyjnych lub zamontowanie tłumików drgań. Na każdy rodzaj konstrukcji znajdującej się w przepływie działa obciążenie spowodowane turbulencją atmosferyczną (buffetingiem)."

Spis treści:
1. Wstęp ...9
Część I. Oddziaływanie wiatru na budynki prostopadłościenne ...15 
2. Koncepcja obciążenia wiatrem konstrukcji  ...15
2.1. Łańcuch obciążenia wiatrem Davenporta  ...15
2.2. Warunki klimatyczne  ...16
2.3. Wpływ terenu na parametry przepływu  ...18
2.4. Odpowiedź aerodynamiczna konstrukcji  ...18
2.5. Odpowiedź mechaniczna konstrukcji  ...19
2.6. Kryteria projektowania  ...19
3. Struktura wiatru w warstwie przyziemnej atmosfery ...21
3.1. Wpływ chropowatości terenu na strukturę wiatru ...21
3.1.1. Średnia prędkość wiatru ...21
3.1.2. Profil wiatru ...21
3.1.3. Intensywność turbulencji ...24
3.1.4. Skala długości turbulencji ...27
3.1.5. Współczynnik porywów oraz współczynnik szczytowy ...29
3.1.6. Funkcje korelacji i gęstości widmowej mocy ...29
3.1.7. Funkcje gęstości widmowej mocy prędkości wiatru w aerodynamice ...32
3.1.8. Badania nad strukturą wiatru ...34
3.2. Wpływ rzeźby terenu ...35
3.2.1. Klasyfikacja nierówności terenowych ...35
3.2.2. Ujęcie liczbowe mnożmików przyspieszenia przepływu ...36
3.2.3. Badania topografii terenu w inżynierii wiatrowej ...37
4. Właściwości aerodynamiczne konstrukcji, badania modelowe i kryteria podobieństwa ...39
4.1. Podstawowe równania mechaniki płynów ...39
4.2. Warstwa przyścienna i jej oderwanie ...40
4.3. Współczynniki aerodynamiczne ...42
4.4. Zależność współczynników aerodynamicznych od parametrów przepływu ...44
4.5. Badania modelowe i kryteria podobieństwa ...46
4.5.1. Twierdzenie Buckinghama ...46
4.5.2. Przykład zastosowania analizy wymiarowej ...48
4.5.3. Zestawienie podstawowych kryteriów podobieństwa w aerodynamice ...49
5. Odwzorowanie warstwy przyściennej w tunelach aerodynamicznych ...51
6. Przegląd pomiarów ciśnienia zewnętrznego ...55
6.1. Informacje wstępne ...55 
6.2. Badania in-situ  ...56
6.3. Badania modelowe  ...59
6.3.1. Badania modelowe 2D  ...59
6.3.2. Badania modelowe 3D  ...64
6.4. Badania ciśnienia zewnętrznego na dachach płaskich  ...78
7. Symulacje komputerowe jako alternatywa do badań modelowych  ...83
7.1. Krótki zarys podstaw teoretycznych  ...83
7.2. RANS — Reynolds-Averaged Navier-Stokes  ...85
7.2.1. Model lepkości turbulentnej – EVM (Eddy Viscosity Model)  ...86
7.2.2. Model drogi mieszania Prandtla  ...86
7.2.3. Model k-s standard  ...86
7.2.4. Model k-s RNG – Renormalization Group k-s  ...87
7.2.5. Model LK k-s – Launder-Kato k-s  ...87
7.2.6. Model MMK k-s – Murakami-Mochida-Kondo k-s  ...88
7.2.7. Model k-s-0 – Kawamoto k-s  ...88
7.2.8. Realizable k-s – RLZ k-s  ...88
7.2.9. Model k-co  ...88
7.2.10. Model RSM — Reynolds Stress Model  ...89
7.2.11. Model ASM (Algebraic Stress Model)  ...89
7.2.12. Modele dwuwarstwowe  ...90
7.2.13. Modele nieliniowe k-s  ...91
7.3. LES — Large Eddy Simulation  ...92
7.4. DNS — Direct Numerical Simulation   ...93
7.5. DVM — Discrete Vortex Method  ...93
7.6. Przegląd symulacji opływu wokół budynków prostopadłościennych  ...93
7.6.1. Informacje wstępne  ...93
7.6.2. Symulacje RANS  ...94
7.6.3. Symulacje LES  ...103
7.6.4. Symulacje DVM  ...108
7.6.5. Symulacje DNS  ...110 
Część II. Badania modelowe w tunelu aerodynamicznym  ...111
8. Odwzorowanie warstwy przyściennej  ...111
8.1. Tunel aerodynamiczny  ...111
8.2. Struktura wiatru  ...111
8.2.1. Pomiar prędkości wiatru  ...111
8.2.2. Weryfikacja poprawności odwzorowania warstwy przyściennej   ...115
8.2.3. Dyskusja wyników   ...116
9. Techniki i modele pomiarowe wykorzystane w badaniach  ...127
9.1. Struktura wiatru  ...127 
9.2. Modele pomiarowe  ...127
9.3. Wykorzystane techniki pomiarowe  ...128
9.3.1. Pomiar ciśnienia zewnętrznego na powierzchniach modeli  ...128
9.3.2. Pomiar sił wypadkowych przy podstawach modeli  ...130
10. Ciśnienie zewnętrzne na modelach prostopadłościennych  ...131
10.1. Średnie ciśnienie zewnętrzne na powierzchniach modeli  ...131
10.2. Współczynniki średniego ciśnienia Cp i odchylenia standardowego ap  ...131
10.3. Rozkłady powierzchniowe  ...132
10.3.1. Przykładowe wyniki badań  ...132
10.3.2. Wstępna analiza wyników na podstawie rozkładów powierzchniowych  ...140
10.3.3. Weryfikacja rozkładów powierzchniowych na podstawie literatury  ...140
10.3.4. Wartości maksymalne i minimalne Cp i ap dla całego modelu  ...143
10.4. Zmiany obwodowe Cp i crp  ...153
10.4.1. Przykładowe wyniki badań  ...153
10.4.2. Weryfikacja wyników na podstawie innych badań  ...153
10.4.3. Zmiany Cp w zależności od wariantu przepływu  ...161
10.4.4. Zmiany o-p w zależności od wariantu przepływu  ...163
10.4.5. Ocena zmian wartości współczynników Cp  ...165
10.4.6. Zmiany obwodowe Cp i crp ze względu na różnice między modelami  ...170
10.4.6.1. Przykładowe wyniki  ...170
10.4.6.2. Analiza zmian obwodowych Cp na modelach o smukłości D/B = 2  ...174
10.4.6.3. Analiza zmian obwodowych Cp na modelach o smukłości D/B =4  ...175
10.4.6.4. Analiza zmian obwodowych ap na modelach o smukłości D/B = 2  ...176
10.4.6.5. Analiza zmian obwodowych ap na modelach o smukłości D/B = 4  ...178
10.5. Zmiany współczynników Cp i up w przekrojach pionowych  ...180
10.5.1. Przykładowe wyniki  ...180
10.5.2. Weryfikacja rozkładów pionowych na podstawie innych badań  ...180
10.5.3. Analiza zmian Cp w przekrojach pionowych  ...180
10.5.4. Analiza zmian ap w przekrojach pionowych  ...187
10.5.5. Ocena zmian wartości Cpiapw przekrojach pionowych  ...188
10.5.6. Analiza zmian pionowych Cp i ap ze względu na smukłość przekroju D/B  ...192
11. Zależności współczynników Cp i up od parametrów przepływu  ...197
11.1. Współczynnik korelacji rang Spearmana.  ...197
11.2. Określenie rang zmiennych w badaniu współczynnika korelacji Spearmana  ...197
11.3. Zależność Cp i crp od średniej prędkości wiatru  ...199
11.4. Zależność Cp i o•p od intensywności turbulencji  ...201
11.5. Zależność Cp i op od maksimum funkcji gęstości widmowej moce  ...202
11.6. Zależność Cp i ap od kolejności wystąpienia maksimum funkcji gęstości widmowej mocy  ...203
11.7. Podsumowanie  ...204