Хазов Павел Алексеевич, к.т.н., доцент кафедры теории сооружений и технической механики ННГАСУ
В настоящее время все более популярными становятся «зеленые» технологии, постепенно захватывающие множество отраслей нашей жизни, в том числе и науки. Не обошлось тут и без строительных направлений. Именно в строительных науках изучаются новые системы отопления и вентиляции, обеспечивающие нас теплом, причем мы стремимся, чтобы это тепло становилось как можно более экологичным и в то же время дешёвым. Строители-экологи прикладывают множество сил, чтобы производство и утилизация строительных материалов и отработанных вод наносило как можно меньший вред окружающей среде. Ученые-гидротехники стремятся снизить урон, возникающий в результате работы гидроэлектростанций. В общем, все при деле.
А что можно сказать о механиках? Какой вклад в «зеленые» технологии вносят они? А скажем мы следующее: одним из интересных объектов исследования механиков являются энергоэффективные здания и их комплексы, способные аккумулировать электроэнергию сами для себя. Звучит фантастично? Давайте разберемся.
Многим давно известно такое понятие, как «альтернативные источники энергии». Одним из таких источников, безусловно, является энергия, запрятанная от нас в атмосфере. Достаточно давно людям пришло в голову, что можно использовать энергию ветра в своих целях – перемалывать зерно на ветряных мельницах, перемещаться между континентами с помощью парусных судов. Но везде итогом являлась энергия механическая (вот где они, механики!). По большому счету, эта энергия, не меняя своего вида, просто передавалась от одного объекта (атмосферный воздух) другому (лопасти мельницы, зерно, парус, корабль). Наиболее существенной причиной бурного развития мировой ветроэнергетики в конце двадцатого столетия стал мировой энергетический кризис 1973-1974 гг. Своеобразным прорывом стали разработки в области электродинамики, позволившие связать механическую энергию вращения с электроэнергией. Так появились электрогенераторы.
А почему бы нам не получать то самое вращательное движение с помощью ветра? Ведь именно так и устроена ветряная мельница! Так появились первые ветрогенераторы. По сути они представляют собой мачту большой высоты (именно на высоте ветер самый сильный), на которой закреплены лопасти, напоминающие мельницу. Конструкция снабжена флюгерной системой, позволяющей ловить любые направления ветра. Основная проблема таких сооружений – необходимость транспортировать энергию на значительные расстояния, поскольку обычно ветрогенераторы устанавливаются в полях.
С развитием крупных городов актуальным стало высотное строительство. Но ведь любое высотное здание – это уже готовая мачта! Уже давно на крышах таких зданий устанавливаются антенны, так почему и нам не воспользоваться этим? Но если для антенны критически важной является только высота, то для ветрогенератора желательно еще и обеспечить максимальные объемы вовлекаемого воздуха, чтобы и электроэнергии было как можно больше. Поэтому ветрогенераторы лучше устанавливать непосредственно в конструкции зданий, создавая такую форму фасадов, которая обеспечит захват аэродинамических потоков воздуха при их контакте.
Ветрогенераторы могут быть интегрированы как в само здание (тогда речь идет о ветрогенераторах с вертикальной осью), так и в комплексы зданий на специальные мосты (классический горизонтальный флюгерный ветрогенератор). Помимо конструктивных требований к самим объектам с интегрированными ветрогенераторами, необходимо также предъявлять и требования к их географии и ориентации относительно преимущественных направлений ветровых потоков, свойственных местности, выбранной для их размещения. Необходимость эта продиктована стремлением к максимизации электроэнергии, вырабатываемой ветрогенераторами.
Как подобрать нужную форму? Для этого нужно воспользоваться компьютерным моделированием аэродинамического взаимодействия зданий и воздушных потоков.
Великие ученые несколько столетий пытаются описать характер взаимодействия твердого препятствия с движущимся воздухом. Первые упоминания встречаются еще в работах Архимеда, после определенной паузы Леонардо да Винчи продолжил развитие данной науки. Исаак Ньютон, кажется, не мог обойти ни один раздел физики и не приложить руку к его становлению, в этот список попала и аэродинамика. Леонард Эйлер и Даниил Бернулли основали аналитическую аэродинамику, в которой уже была целая куча интегралов.
Окончательно решить задачу контакта воздуха с твердым телом удалось ученым Анри Навье и Джорджу Габриелю Стоксу. Они получили универсальные системы уравнений, способные описать любую задачу аэродинамики, которая так и называется – система уравнений Навье-Стокса. Основная проблема заключалась в том, что инженеры крайне неохотно могут решать эти самые интегралы, потому метод был очень сложен для реализации. Но тут на помощь пришел компьютер. Оказалось, что любой интеграл превращается в обычную школьную сумму, если пространство (воздух) рассматривать не как сплошную среду, а как кучу мааааленьких кусочков, в каждом из которых упростить все решения.
В таком случае получаемое решение примет своеобразный ступенчатый вид, но если кусочки будут очень малы, то мы не заметим разницы, как вы не замечаете, что сейчас вы видите на экране не гладкое изображение, а набор маленьких квадратиков-пикселей, каждый из которых имеет свой цвет. Таким образом и появилась вычислительная аэродинамика, в которой мы можем создать с помощью компьютера копию нашего здания и атаковать его ветром с любой скоростью, получив затем давления, скорости и всё-всё-всё, что нас интересует.
Результаты решения таких задач, как правило, представляются в виде красивой инфографики, где наглядно видны распределения давлений и скоростей в любой точке моделируемого пространства вокруг здания. Тут мы и можем предсказать, как здание будет взаимодействовать с воздушными потоками и сколько же энергии вырабатывается в течение года.
В настоящее время есть несколько реализованных проектов зданий с интегрированными ветрогенераторами, например, Всемирный торговый центр в Бахрейне, башня Перл-Ривер в Гуаньчжоу. Эти объекты способны накапливать такие объемы электроэнергии, что практически не нуждаются в электроснабжении извне.
Эта задача, как и многие другие задачи аэродинамики, непрерывно развивается и изучается инженерами и учеными всего мира в настоящее время. Мы стараемся делать всё возможное, чтобы города были красивыми, а конструкции безопасными, и разрабатываем такие методы проектирования, которые позволят развивать строительную отрасль экономически семимильными шагами!
#мининский #mininuniver #десятилетиенауки #МинобрнаукиРоссии #популяризациянауки