XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

Введение

Атмосфера находится в беспрерывном движении. Ветер, вызванный действием сил барического градиента и Кориолиса, играет большую роль в формировании погоды и климата Земли, а также оказывает влияние на развитие человеческой цивилизации. В настоящее время изучение ветра и получение как можно более точных значений его скоростей является важной задачей в связи с повсеместным строительством высотных зданий, мостов, активным использованием авиации. Например, небоскреб «Лахта-Центр», расположенный в Санкт-Петербурге, имеет высоту 462 метра, что делает его сильно подверженным ветрам, действующим на берегу Финского залива – рис. 1 [1].

Ветровые нагрузки - одни из наиболее трудных для моделирования видов динамических нагрузок. Неправильное их определение может привести к вибрации сооружения, и как следствие, ухудшению устойчивости и несущей способности перекрытий.

Данная работа посвящена исследованию погрешности ротоанемометров при нахождении максимальных скоростей ветра. Актуальность выбранной темы обусловлена потребностью в точной информации о скорости ветра, средней и пульсационной составляющих, максимальных порывах, «розе ветров».

Рис. 1 Эпюры средней и пульсационной составляющих ветровой нагрузки на «Лахта-Центр» в Санкт-Петербурге [1]

Значения максимальной скорости ветра, наблюдаемые на различных станциях Санкт-Петербурга за 15-летний период 2005-2020 гг., приведены в табл. 1 и 2. Представленные данные свидетельствуют о зависимости значений максимумов и срока наблюдения данного максимума от интервала осреднения.

Таблица 1

Скорость ветра на высоте 10-12 метров с 20.11.2005 по 20.11.2020 в Санкт-Петербурге, Северо-Западное УГМС [2]

Параметр	Осреднение	Среднее значение (м/с)	Максимальное значение в м/с (дата)	Количество наблюдений
Средняя скорость ветра	10-минутный период	2.0	20 (21.02.2014)	43585
Максимальное значение порыва ветра	10-минутный период	10.9	18 (13.12.2013) 18 (28.10.2006)	666
Максимальное значение порыва ветра	Мгновенное значение между сроками	11.4	22 (12.07.2011)	2442

Таблица 2

Скорость ветра на высоте 10-12 метров с 20.11.2012 по 20.11.2020 в аэропорту Пулково [2]

Параметр	Осреднение	Среднее значение (м/с)	Максимальное значение в м/с (дата)	Количество наблюдений
Максимальное значение порыва ветра	10-минутный период	11.5	24 (17.11.2013) 24 (09.03.2019)	5973

Город Санкт-Петербург расположен на побережье Финского залива, поэтому подвержен большому влиянию воздушных масс с Атлантики - рис. 2. Юго-западные и западные направления ветра приносят пасмурную ветреную погоду, что зимой вызывает резкое потепление, а летом похолодание. С севера город подвержен влиянию холодных и сухих воздушных арктических масс, сформированных над Северным Ледовитым океаном. Сопровождается понижением температуры и ясной погодой. Южные, юго-восточные и восточные направления ветра, идущие со стороны Азиатского антициклона, вызывают жаркое лето и холодную зиму с небольшой облачностью и сухим воздухом [3]. Наиболее частые сильные порывы ветра отмечаются со второй половины осени до первой половины весны.

Рис. 2 Роза ветров в Санкт-Петербурге [4]

Погрешность определений максимальных порывов ветра

Наиболее распространенным прибором для определения скорости ветра является ротоанемометр. Как и любой прибор, измеряющий метеовеличину, он имеет свою погрешность. Важнейшей характеристикой работы прибора, влияющей на величину погрешности, является инерция вертушки. Инерция прибора – это его свойство показывать измеряемую величину с задержкой во времени. Эта задержка зависит от многих параметров, среди которых средняя скорость ветра, амплитуда флуктуаций скорости ветра и период флуктуаций скорости ветра. В паспорте каждого прибора содержится параметр, описывающий его инерцию. Для ротоанемометров это путь синхронизации вертушки или винта.

Путь синхронизации - это путь, который воздушный поток преодолеет за время, в течение которого разность между угловой скоростью вращения вертушки и установившейся угловой скоростью уменьшается в е раз.

Путь синхронизации является постоянной для данной вертушки величиной и зависит от следующих параметров:

(1)

где n - количество чашек, m - масса одной чашки, R – радиус плеча вертушки, k - коэффициент, зависящий от устройства вертушки,  V/U=3 – отношение линейных скоростей ветра и чашки [5].

Для того чтобы вертушка быстрее воспринимала изменение скорости ветра, необходимо, чтобы путь синхронизации был бы малым. Для этого вертушка должна быть легкой (малое m), небольшой (малое R), а число чашек - минимальным.

Параметр окружающей среды, влияющий на величину инерционной погрешности ротоанемометра – скорость ветра. Высокую скорость ветра вертушка воспринимает быстро, малую – медленно. Соответственно, при осреднении скорости ветра происходит завышение показания средней скорости ветра. Если амплитуда порывов ветра мала, то и инерционная погрешность будет меньшей. Время синхронизации также зависит от скорости ветра: с увеличением скорости ветра время синхронизации уменьшается.

В данной работе исследование точности измерения анемометром максимальной скорости ветра проводилось путем численного моделирования по формуле [6]:

(2)

где - скорость ветра, которую воспримет анемометр (истинная);

– текущие показания анемометра;

– начальная скорость ветра;

L – путь синхронизации;

– время.

В качестве исходных данных принимался путь синхронизации реальной вертушки равным 20 м (L). Моделирование проводилось в следующих диапазонах изменения параметров пульсирующего ветра:

амплитуда скорости ветра (A) 2-6 м/с,

период флуктуации (T) 0.5 - 10 с,

средняя скорость ветра (Vср) 1 – 22 м/с.

Моделирование выполнено с помощью программы, разработанной авторами [6].

По рассчитанным значениям показаний анемометра () находилось их отклонение от задаваемой максимальной скорости ветра ( ):

(3)

где V - инерционная погрешность ротоанемометра.

Для проведения оценки найденной погрешности мы сравниваем полученные результаты с паспортными [7]:

(4)

Инерционная относительная погрешность анемометра – отношение абсолютной погрешности () к средней скорости ветра :

(5)

В результате проведенных расчетов были получены графики, представленные на рис. 3-6.

Рис. 3 Зависимость относительной погрешности определения максимального порыва ветра от максимальной скорости при периоде флуктуаций T=0,5 c

Рис. 4 Зависимость относительной погрешности определения максимального порыва ветра от максимальной скорости при периоде флуктуаций T=1 c

Рис. 5 Зависимость относительной погрешности определения максимального порыва ветра от максимальной скорости при периоде флуктуаций T=5 c

Рис. 6 График зависимости относительной погрешности определения максимального порыва ветра от максимальной скорости при T=10 c и А=2, 4 и 6 м/с

На графиках красной кривой выделена основная погрешность ротоанемометра. При увеличении периода (от 5 с) ни при какой амплитуде флуктуаций и значении максимального ветра основная паспортная величина погрешности не будет превышена. При уменьшении периода пульсаций менее 1 с амплитуда пульсаций перестает играть заметную роль, значение погрешности определяется значением максимума порывов.

Все кривые на графиках относительной погрешности имеют экстремум, величина которого растет с уменьшением амплитуды флуктуаций скорости ветра. Построенные зависимости относительной погрешности неоднозначны: например погрешность 15% будет отмечена при различном сочетании факторов: Vmax=3 м/с, А= 2 м/с, Т=1 с или Vmax=5 м/с, А= 4 м/с, Т=0,5 с.

Построенные зависимости позволяют определить набор условий (значений периода и амплитуды флуктуаций, скорости ветра), при которых дополнительная погрешность анемометра, вызванная инерцией вертушки, превышает основную. Подобные зависимости могут быть использованы в качестве номограмм для определения дополнительной динамической погрешности вертушки, путь синхронизации которой составляет 20 м. Учет дополнительной погрешности позволит повысить точность выполненных измерений максимального ветра.

Список литературы

1. Е.А. Илюхина, С.И. Лахман, А.Б. Миллер, В.И. Травуш. (2019). Конструктивные решения высотного здания «Лахта Центр» в Санкт-Петербурге. ACADEMIA. АРХИТЕКТУРА И СТРОИТЕЛЬСТВО, (3), 110-121. https://doi.org/10.22337/2077-9038-2019-3-110-121

2. ООО «Расписание погоды». – Санкт-Петербург, 2004. – URL: https://rp5.ru/Архив_погоды_в_Санкт-Петербурге (дата обращения: 20.11.2020).

3. Климат Санкт-Петербурга [Электронный ресурс]: Викпедия. Свободная энциклопедия. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Климат_Санкт-Петербурга (дата обращения: 20.11.2020).

4. СНиП 2.01.01-82 Строительная климатология и геофизика/Госстрой СССР. – М.: Стройиздат. 1983. – 136 с

5. Н.О. Григоров, А.Г. Саенко, К.Л. Восканян. Методы и средства гидрометеорологических измерений. Метеорологические приборы. РГГМУ, 2012 год.

6. К.Л. Восканян, Н.О. Григоров, В.С. Никитина. Инерционные погрешности и чувствительность метеорологических приборов для измерения дальности видимости и скорости ветра / К.Л. Восканян, Н.О. Григоров, В.С. Никитина // European Journal of Natural History. – 2020. – №3. – C. 109 – 114.

7. Анемометр ручной индукционный АРИ-49. Утверждены Государственным комитетов стандартов Советов Министерства СССР 27 февраля 1973 год.

Код для цитирования: Скопировать