17 апреля 2015 года

На территории Национального исследовательского Московского государственного строительного университета (НИУ ФГБОУ ВПО «МГСУ») завершается строительство аэродинамического испытательного комплекса, специализирующегося на объектах строительства. Об этом новом научно-практическом направлении деятельности университета мы попросили рассказать первого проректора МГСУ Олега Егорычева.

​

- Олег Олегович, как возникла идея создания аэродинамической трубы для строительно-архитектурной отрасли?

- Идея создания установки или испытательного полигона для физического моделирования воздействия воздушных потоков на здания и сооружения появилась достаточно давно. Дело в том, что задачи серьезного моделирования не решаются одним методом. В частности, компьютерное моделирование по своей сути отличается от моделирования физического, поэтому, как правило, используется несколько методик, и желательно - принципиально разных.

В последние годы государство начало направлять целевые средства для формирования современной лабораторно-исследовательской базы, и у нашего Университета появилась практическая возможность реализации этого крайне необходимого проекта.

- В нашей стране есть аэродинамические трубы, предназначенные для решения вопросов строительства?

- В Советском Союзе исследованиям в сфере влияния ветровых потоков на достаточно большие модели (здания и комплексы зданий, большепролетные конструкции мостов, другие инженерные сооружения), конечно, уделялось немало внимания. Были исследования аналитические численные, хотя возможности вычислительной техники тех времен, скажем так, оставляли желать лучшего. По специализированной экспериментальной базе постоянной системной работы, как таковой, не существовало.

- Вы имеете в виду специальные аэродинамические трубы для строительства? Трубы для авиации существуют достаточно давно.

- Конечно, для авиации, автомобильной отрасли, для целей ВПК было построено немало испытательных лабораторий такого рода (в том числе и сверхзвуковых), и накоплен гигантский опыт. В части авиационной аэродинамики СССР и Россия всегда были очень сильны, но строительство и градостроительство - это совсем другая область.

- Самолеты, автомобили, поезда и т. д. имеют относительно небольшие размеры в сравнении с домами, большепролетными сооружениями, мостами, а тем более, с градостроительными комплексами (городскими районами, микрорайонами и т.д.). На них воздействуют другие воздушные потоки, и дело не только в скорости. Наши большеразмерные модели не летают, но на их поверхностях имеют место существенные изменения потоков воздуха по плотностям, по температуре и т.д. Например, здание высотой 200 м может испытывать нагрузки, весьма различающиеся не только по скорости и направлению ветра, но и по температуре потоков.

Но основное отличие заключается в том, что ветровые потоки вблизи земли состоят из множества вихрей, которые возникают в результате трения воздушных масс о землю, строения, мосты, деревья и т. д. Поэтому на здания воздействует не равномерный поток, а совокупность разнообразнейших вихрей. Приведу простой пример: на фасадах здания МГУ, что на Воробьевых горах, есть несколько мест, где снег всегда летит вверх, что обусловлено наличием устойчивых вихрей, которые формируют воздушный поток. Именно поэтому при постановке эксперимента необходимо воздействовать на модель специально сформированным турбулентным потоком, моделирующим ветровой поток над урбанизированной территорией.

Лейбман Михаил Евгеньевич, проректор по научно-производственной деятельности, заместитель председателя НТС МГСУ:

Аэродинамические трубы, используемые в авиационной промышленности, изначально предназначены для решения совершенно иных задач. Разработчиков авиационной техники интересуют, в первую очередь, аэродинамические процессы, происходящие при обтекании потоком набегающего воздуха твердого тела, например, самолета, летящего на определенной высоте, а мы собираемся моделировать процессы в приземном воздушном слое. Но нужно хорошо понимать, что воздушный поток у земной поверхности совсем не такой, как на высоте 1 километр и более! Поэтому авиационные специалисты стремятся «распрямить» поток в аэродинамической трубе и сделать его ламинарным, а у нас, напротив, - сложнейшая система различных аэродинамических сопротивлений, позволяющих моделировать приземный турбулентный поток, «разбитый» на множество вихрей. Более того: в рабочей зоне нашей трубы мы сможем моделировать особенности фонового ветрового режима конкретного района - задача крайне непростая и очень интересная!

- Нет, конечно! Существуют специальные методы, объединенные в теорию подобия, позволяющие с достаточной точностью моделировать ветровой поток, не прибегая к строительству точной копии реально существующей застройки.

Основная задача трубы как раз и заключается в том, чтобы сформировать «правильный» поток. Для понимания сложности этой задачи скажу, что объем, в котором располагается поворотный круг с испытываемой моделью, имеет размеры 3×4×2,5 м, а для того, чтобы «закрутить» поток так, как нужно, предназначена рабочая зона - участок трубы длиной 18,9 м, в котором размещаются специальные аэродинамические сопротивления. Методика измерений тоже чрезвычайно важна, но если поток сформирован неправильно - оценить реальное воздействие ветра на объект не получится, какой бы высокой ни была точность измерений.

- Исследования воздушных потоков относятся скорее к аэродинамике, чем к строительству. Вы вторгаетесь в чуждую отрасль науки?

- Все, что я рассказывал о свойствах и поведении воздушных потоков, в частности, и газов вообще - тематика, конечно, не совсем строительная. Можно говорить, что это относится больше к механике сплошной среды, к классической аэродинамике или к вихревой аэродинамике, но суть заключается в том, что мы должны не просто правильно сформировать поток. Мы должны еще правильно размещать модели и правильно измерять интересующие нас параметры. Вот именно здесь скрыта собственно строительная часть! Что нужно поместить в эту трубу, и какие параметры померить - вопросы очень непростые. Необходимо понимание того, как проектируются здания, на что следует обратить особое внимание, где расположены узлы, которые могут повлиять на устойчивость сооружения - для этого необходимы специалисты, досконально разбирающиеся во всех аспектах строительства и градостроительства.

- В первую очередь, устойчивость, динамические нагрузки: выдержит–не выдержит, упадет–не упадет, как будет колебаться, поведение ограждающих конструкций, теплофизика. Дело в том, что все здания представляют собой динамические конструкции, они «дышат». В частности, наше здание оборудовано очень серьезной системой мониторинга, которая функционирует уже три года, и мы знаем, что сейчас оно «гуляет» примерно на 50 мм, а в сильный ветер - до 200 мм. Эти величины находятся в расчетном диапазоне, и ничего страшного в этом нет. Амплитуда колебаний верхушки Останкинской телебашни достигает 7 м, а максимальное теоретическое отклонение вершины при максимальных расчетных скоростях ветра - 11,65 м.

- Экспериментальные установки такого рода и на Западе появились не так давно. Первые аэродинамические трубы для испытания архитектурно-строительных объектов, которые у них, кстати, называются не трубами, а тоннелями, были созданы всего лет 25–30 назад. Сейчас их достаточно много. Помимо занятий высокой наукой они решают и вполне утилитарные задачи, отвечая на очень конкретные вопросы градостроительного, строительного и экологического характера.

Поддаева Ольга Игоревна, руководитель Учебной научно-производственной лаборатории по аэродинамическим и аэроакустическим испытаниям строительных конструкций (УНПЛ ААИСК), начальник Центра управления научной и инновационной деятельностью (ЦУНИД), доц. каф. «Теоретическая механика и аэродинамика», к.т.н.:

Аналогичные испытательные комплексы есть, например, в Техническом университете Мюнхена - TUM (Германия), Политехническом университете Милана - PTdM (Италия), а также в филиале Научно-технического центра по строительству в Нанте - CSTB (Франция). Но в России это первая и пока единственная труба для испытания строительных конструкций, имеющая в рабочей зоне то самое расстояние 18,9 м, которое достаточно для моделирования приземного вихревого потока. Европейские специалисты помогали нам советами, но проектировали мы своими силами, а изготавливалось оборудование на заводе в Тольятти. Нас очень интересовал международный опыт, поскольку мы увеличиваем активность взаимодействия с международным академическим сообществом в части исследований, стажировок и т.д.

- Следует отметить, что мы не «зацикливаемся» только на физическом моделировании. В МГСУ достаточно хорошо развито направление численного моделирования с помощью существующих или адаптированных программных пакетов. Аэродинамическая труба предоставляет нам дополнительные возможности изучения проблемы с разных позиций, но далеко не все объекты нуждаются в обязательной продувке. Существуют решенные типовые задачи, где очень хорошо показывают себя математические методы, а есть объекты, требующие именно физических исследований.

К числу классических задач физического моделирования в строительно-архитектурной области можно отнести испытания моделей мостов и других большепролетных конструкций, высотных зданий и прочих уникальных сооружений. Дело в том, что даже самые совершенные численные методы нуждаются в использовании определенных поправочных коэффициентов, и зачастую после физического моделирования приходится пересматривать эти математические модели, поскольку результаты далеки от реальности.

Есть и другие не менее интересные градостроительные задачи, такие, например, как влияние подземных транспортных тоннелей на экологию городской среды. Поверьте, это совсем не пустой вопрос! В ряде европейских городов до принятия окончательного решения по ориентации входа и выхода тоннеля проводилось очень серьезное физическое и численное моделирование, позволяющее оценить распределение воздушных потоков и определить уровень негативного влияния «выхлопов» из тоннеля на близлежащие кварталы (в том числе и с учетом возможных террористических актов и экологических катастроф). Известны случаи, когда после проведения такого анализа выезд из тоннеля разворачивали почти на 90º и направляли в сторону русла реки, поскольку именно там плотность населения минимальна, а, следовательно, минимальны и прогнозируемые потери при разного рода аварийных ситуациях.

Изучение проблемы пространственного распространения вредных выбросов промышленных предприятий, крупных транспортных магистралей и т.п. - задача не только эколого-градостроительная, но и климатическая. Это очень интересная область, и во всем мире такие задачи стремятся моделировать с помощью подобных установок. При этом в большинстве случаев заказчиком исследований выступают не строительные организации, а территориальные субъекты или крупные корпорации, которые стремятся понять, как их деятельность повлияет на экологическую ситуацию в конкретном регионе.

Есть и куда более приземленные, но, тем не менее, очень важные вопросы. Приведу простой пример: на территории существующей застройки возводится дом, в результате чего резко меняется аэродинамическая ситуация и, как следствие, комфортность среды. Люди порой просто-напросто не могут открыть дверь в подъезд из-за изменившегося ветрового потока! Или постоянно дующий ветер формирует на локальном участке снежный занос высотой 2-3 метра. Вроде и снегопады не слишком обильные, и ветер не сильный, но направление воздушного потока таково, что создаются заносы, с которыми снегоуборочная техника оказывается не в состоянии справиться! Это всё примеры из реальной жизни, и эти задачи можно успешно решать, в том числе и с помощью методов физического моделирования.

Еще одна очевидная область исследований - испытания строительных объектов на сопротивляемость, динамическую устойчивость, энергоэффективность ограждающих конструкций и т.д. В данном случае может идти речь о снижении стоимости объекта. Такие испытания позволяют не закладывать избыточную прочность здания, которая влечет за собой удорожание стоимости фундамента и несущих конструкций, но практического смысла не имеет. А по энергоэффективности: у нас появляется возможность детально учесть охлаждающее воздействие воздушных потоков на здание и скорректировать решение по утеплению ограждающих конструкций.

Дуничкин Илья Владимирович, с.н.с. УНПЛ ААИСК, доц. каф. «Проектирование зданий и градостроительство», к.т.н.:

Для России эта аэродинамическая труба фактически является технологическим прорывом в сфере строительства, архитектуры и градостроительства. Мы создаем уникальный комплекс, на котором можно будет проводить эксперименты, беспрецедентные по своей значимости. В частности, до сих пор ниша экологического аудита была неполной именно из-за того, что при попытке сформировать устойчивую архитектуру у проектировщиков не было достаточной информации для принятия правильных решений. И эту информацию можно будет получить как раз при помощи нашего строящегося комплекса. Новая аэродинамическая испытательная установка будет востребована в научно-прикладной части экспериментального проектирования уникальных объектов, а также объектов, связанных с «Зеленой архитектурой».

- Есть ли необходимость продувки высотных зданий в аэродинамической трубе?

- Высотные здания, как один из видов уникальных зданий, требуют пристального изучения, в особенности с точки зрения воздействия вихрей, потому что нередки случаи, когда вместо ветрового напора на поверхности возникает зона отрицательного давления. Как известно, в строительстве подавляющее большинство ограждающих конструкций (остекление, панели и т.п.) рассчитываются на сопротивление давлению, а на отрыв - нет. Происходит разрушение ограждающих конструкций на некоторых высотных объектах за гораздо более короткий срок, чем предусмотрено проектом. И не потому, что их плохо закрепили, а потому, что при проектировании не было полного понимания того, какому воздействию они будут подвергаться в процессе эксплуатации.

Но мало исследовать модель того или иного здания или сооружения. Необходимо сертифицировать отработанные методики, позволяющие с высокой степенью точности рекомендовать конкретные проектные решения.

- Ваша цель, как Национального исследовательского университета, заключается в выработке методик или в решении конкретных задач?

- Решение конкретных задач и выработка методик на основе этих решений. Зарубежный опыт и передовые решения не могут быть на 100% перенесены на нашу территорию, потому что они разрабатывались для других объектов, построенных из других материалов и предназначенных для эксплуатации в других климатических зонах. И это нормально! Все страны производят свои материалы и производят их по-своему. Несмотря на наличие более или менее унифицированной нормативной международной базы существуют и национальные стандарты, учитывающие исторические, производственные, сырьевые и прочие национальные особенности.

- Строительство испытательного стенда входит в завершающую стадию. Какие исследования вы планируете осуществить после введения в строй этой уникальной аэродинамической трубы?

- В планах на будущий год стоит проведение натурных испытаний. Мы собираемся оборудовать высотный корпус нашего комплекса МГСУ необходимым количеством датчиков, которые будут измерять не только динамику его колебаний, но и воздействие воздушного потока (скорость, температура и прочее). Одновременно мы будем моделировать данную ситуацию на компьютере и в аэродинамической трубе, что позволит рассматривать задачу с трех сторон: что в реальности происходит с конкретным зданием, что показывают математические программные пакеты и что показывает физическое моделирование. Физическое моделирование моделей зданий позволяет получить точные результаты, однако окончательную картину важно сопоставить с замерами на реальном объекте. Кроме того, мы намереваемся серьезно заняться исследованиями экологической обстановки внутри урбанизированных территорий, используя результаты этих исследований.

Мы не собираемся останавливаться на достигнутом. Еще одна тема, востребованность которой возрастает с каждым днем, - это возобновляемые источники энергии и энергетика урбанизированных территорий. И выбор тут невелик: солнце и ветер, но при грамотном подходе совместное использование ветрогенераторов и солнечных панелей способно дать очень неплохие результаты. Мы пытаемся не только осмыслить эту проблему, но и проверить на практике эффективность современных технологий возобновляемых источников энергии и возможность их применения в условиях крупного мегаполиса. На крыше одного из корпусов МГСУ уже установлена одна ветроэнергетическая установка. Мы собираемся смонтировать еще три установки разных типов для того, чтобы сравнить их эксплуатационные характеристики и на практике оценить реальную эффективность каждого из них в условиях существующей застройки, характерной для крупных российских городов.

У нас есть Научно-образовательный центр компьютерного моделирования, ряд сотрудников которого занимается численным моделированием аэродинамических и ветровых потоков. Очень интересно сравнить результаты физического эксперимента с численным моделированием, понять, в чем заключаются расхождения, и внести соответствующие коррективы. А если эти данные объединить с проведением натурных экспериментов, то можно получить результаты, близкие к идеальным. Мы планируем разместить на нашем высотном здании специальные датчики и провести этот «тройственный» эксперимент после введения в строй большой аэродинамической трубы.

Мы оценивали мировой опыт в этой области и можем сказать, что он невелик. Такой «тройственный» эксперимент требует очень серьезной подготовки, но сравнение этих трех вариантов позволяет получить максимально приближенную к реальности методику исследования воздействия ветровых нагрузок на здания и распространения ветровых потоков в городской застройке.

Орехов Генрих Васильевич, заместитель руководителя УНПЛ ААИСК, зав. каф. «Использование водной энергии», к.т.н.:

Самое интересное в нашей лаборатории, может быть, даже не только проточная часть и общие размеры строящейся аэродинамической трубы (размеры рабочей зоны 18,9×4×2,5 м, длина оси замкнутого контура - 96 м, внешние габариты 41×21,25×6,91 м, скорость формируемого потока от 0,1 до 30 м/с), а уникальная аппаратура, которая позволяет видеть то, что человеческий глаз увидеть не в состоянии. Это так называемая «Лазерная система цифровой трассерной визуализации», а проще говоря - система визуализации потока, которая дает нам возможность посмотреть, что же происходит при обтекании тех или иных объектов. Это очень важно для решения различных строительных или технологических задач, с которыми нам постоянно приходится сталкиваться.

Область, в которой располагается модель, специальным образом освещается лазерной головкой. Отраженный свет лазера фиксируется двумя уникальными видеокамерами, и после соответствующего обсчета с использованием специальных программ мы получаем картину течения воздушного потока, которая выводится на монитор. Камеры выдают настолько много информации, что продолжительность ее компьютерной обработки исчисляется буквально сутками.

От редакции: МГСУ как Национальный исследовательский университет ведет большую научно-исследовательскую работу по созданию новых строительных технологий и материалов. В следующих номерах мы планируем знакомить читателей журнала с наиболее перспективными инновационными разработками Университета.

ard-center.ru