ЛАБОРАТОРИЯ ПО ИССЛЕДОВАНИИ ВЕТРА ГОРОДЕ ГЕЙНСВИЛЛ В ШТАТЕ ФЛОРИДА (США)

Университета Флориды предоставляет пользователям доступ к одному из самых больших и самых разнообразных экспериментальных инфраструктур в мире в области ветроэнергетики. Расположенный в лаборатории структур и материалов семейства Пауэлл, NHERI UF EF позволяет исследователям определять нагрузку и динамический отклик широкого спектра инфраструктуры в большой аэродинамической трубе с переконфигурируемым пограничным слоем (АТПС) и проводить полномасштабное исследование. Испытания больших строительных систем с оборудованием, способным выдерживать предельные / разрушительные нагрузки, связанные с ураганом "Симпсон Ураган", шкалой ветра 5 категории или торнадо "Усовершенствованная шкала Фудзита 5".

Лаборатория включает в себя пять инструментов исследования опасности ветра:

  1. Аэродинамическая труба пограничного слоя (АТПС)

АТПС представляет собой аэродинамическую трубу шириной 6 м, высотой 3 м и длиной 40 м, предназначенную для моделирования потоков пограничного слоя для характеристики ветровой нагрузки и структурных характеристик, включая аэроупругую реакцию чувствительных к ветру конструкций (рис.1).

Рис.1. Аэродинамическая труба пограничного слоя с образцом для испытаний и массивом терраформеров

Уникальными особенностями этого объекта являются его большой размер и автоматическое плавно регулируемое поле неровностей местности («Terraformer»). Восемь 1,5 м диаметром, 75 л.с. с приводом от двигателя, вентиляторы Aerovent Vaneaxial могут развивать скорость до 18 м / с, поддерживая + / 1 об / мин вентилятора. Terraformer состоит из поля размером 6 х 18 м из 1116 индивидуально управляемых кубических элементов длиной 100 мм и шириной 50 мм, которые поднимаются над полом туннеля до 160 мм каждый, образуя неоднородное или однородное поле местности. Переконфигурирование поля местности занимает приблизительно 2 минуты, что позволяет быстро тестировать несколько конфигураций местности.

Собственный инструментарий АТПС включает в себя:

  • 512-канальная сканирующая система Scanivalve ZOC33 625 Гц, установленная под поворотным столом.
  • Четыре измерительных прибора Cobra для измерения турбулентного потока, которые измеряют три составляющие скорости до 2000 Гц, смонтированы на поперечном портале, чтобы обеспечить возможность позиционирования в любом месте в поперечном сечении туннеля.
  • Трубки Пито, установленные на контрольной высоте над испытательной секцией.
  • Датчики давления Дуайера вдоль стен туннеля.
  • Два 6-осевых миниатюрных тензодатчика ATI Industries Nano25 для количественного определения базовых сил и моментов.
  1. Многоосевой симулятор ветровой нагрузки (МСВН)

МСВН - это уникальный крупномасштабный симулятор динамических эффектов ветра, который создает динамическое давление воздуха в сочетании со статическим сдвигом в плоскости или усилиями подъема. Система предназначена для размещения стен, компонентов или образцов облицовки высотой до 6 м и шириной 8 м. Эта система поддерживает изучение взаимодействия между статическим поднятием или сдвигом в плоскости и изменяющимися во времени условиями давления до уровня, связанного с интенсивным ураганом по шкале 5 ветра урагана Саффира-Симпсона или торнадо EF5. Может поддерживаться пиковое давление, превышающее 20 кПа при поддержании потока воздуха, превышающего 2000 м3 / мин (для компенсации утечки вокруг / через образец для испытаний), с частотной характеристикой 1 Гц. Система была разработана для работы в широком диапазоне условий утечки и изменений в объеме, вызванных отклонением образцов вне плоскости.

Для симулятора есть четыре основных компонента: вентилятор, воздуховод, система управления и камера давления (рис. 2).

Рис.2. Компоненты МСВН

Система управления включает пять демпферов (клапанов): четыре дроссельных заслонки и изготовленный на заказ быстродействующий демпфер жалюзи с противоположными лопастями. Назначение четырех дроссельных заслонок состоит в том, чтобы изменить конфигурацию потока таким образом, чтобы на образец можно было приложить положительное или отрицательное давление, или, альтернативно, обойти камеру, чтобы пропустить воздух через секцию высокоскоростной аэродинамической трубы. Заслонка жалюзи модулирует сопротивление системы, которое изменяет поток воздуха в / из камеры давления и, таким образом, вызывает соответствующее изменение давления, действующего на образец (т.е. изменяется рабочая точка на кривой вентилятора). Два дифференциальных преобразователя измеряют давление внутри испытательной камеры с частотой дискретизации 120 Гц, чтобы привести в действие механизм обратной связи для заслонки жалюзи. Процесс контроля / обратной связи является непрерывным; была реализована только аналоговая обратная связь / управление (без A / D или D / A). Система управления позволяет пользователю выбирать вход «пошагово и удерживай» (устанавливая уровень давления на неопределенное время), вход от функционального генератора (например, синусоидальной волны с определенным средним значением, амплитудой и частотой) или трассу ( входной файл CSV, содержащий временную историю измеренного или смоделированного сигнала давления ветра).

Образец для испытаний устанавливается в реакционной раме, которая крепится к открытой стороне камеры давления, чтобы закрыть камеру давления для испытаний. Камера давления имеет ширину 7,3 м, высоту 5,5 м, глубину 1 м. Каркасная система реакции состоит из первичного и вторичного каркаса реакции. Первичная рама противостоит контактным силам, создаваемым образцом для испытаний, подвергнутым нагрузке ветровым давлением, и является фиксированной, в то время как вторичная реакционная рама может быть удалена и изменена в соответствии с размерами образца (рис.3).

Рис.3. Многоосевой симулятор ветровой нагрузки с установленным испытательным образцом

  1. Динамический симулятор потока (ДСП)

ДСП (рис.4) используется для определения предельной мощности подъема ветра в прерывистых кровельных системах (таких как черепица, асфальтовая или металлическая черепица), для которых мощность подъема зависит от геометрического профиля (высокий профиль или почти плоский) профиль) и эффективность воздушных уплотнений между рядами плиток. Уникальные особенности ДСП включают в себя максимальную скорость на испытательном участке - примерно 100 м / с - и способность воспроизводить сигналы с частотой до 1 Гц. ДСП была разработана для испытаний натурных образцов кровли шириной до 2 м и длиной 2,6 м. Геометрия плитки влияет на утечку воздуха через систему и, следовательно, на общие создаваемые подъемные нагрузки. Поле ветра, создаваемое в вертикальной плоскости над образцом для испытаний гальки, представляет собой изменение приповерхностного ветра, протекающего над крышей.

Рис.4. Динамический симулятор потока

  1. Привод нагрузки высокого давления воздушного потока (ПНВДВП)

ПНВДВП одновременно применяет изменяющееся во времени ветровое давление и имитируемый ветром дождь на горизонтальном фасаде здания (рис. 6). 

Идеально подходит для быстрой оценки больших тестовых матриц и испытаний, ведущих к тестированию на МСВН. ПНВДВП состоит из двух центробежных вентиляторов мощностью 75 л.с., настроенных для последовательной работы. Использование двух вентиляторов позволяет ПНВДВП поддерживать высокие скорости прохождения воздуха (утечки) (до 51 м3 / мин). Воздуховод соединяется с пятипортовым воздушным клапаном, который контролирует давление в камере, модулируя количество воздуха, проходящего из испытательной камеры в выпускное отверстие. Диск клапана соединен с поворотной исполнительной системой, которая обеспечивает обратную связь позиционирования. Система распыления воды переменной интенсивности (СРВПИ) имитирует воздействие дождя от ветра на системы ограждающих конструкций зданий. СРВПИ устанавливается внутри стальной камеры и состоит из двух отдельных стоек с 25 форсунками. Система PXI компании National Instruments контролирует давление в камере с помощью Пропорционально-интегрально-производного (ПИД) регулятора с частотой 50 Гц, который получает обратную связь от датчика давления в испытательной камере, который может отслеживать быстро меняющиеся кривые давления с высокой точностью. Такая конструкция позволяет ПНВДВП испытывать компоненты при одновременном колебании давления и ветровых дождевых условиях с частотой до 3 Гц при давлениях до 6 кПа. которые могут следовать быстро изменяющимся следам давления с высокой точностью. Такая конструкция позволяет ПНВДВП испытывать компоненты при одновременном колебании давления и ветровых дождевых условиях с частотой до 3 Гц при давлениях до 6 кПа. которые могут следовать быстро изменяющимся следам давления с высокой точностью. Такая конструкция позволяет ПНВДВП испытывать компоненты при одновременном колебании давления и ветровых дождевых условиях с частотой до 3 Гц при давлениях до 6 кПа.

Рис.5. Привод нагрузки высокого давления воздушного потока

  1. Привод пространственно-временной нагрузки (ППВН)

ППВН является инструментом, аналогичным МСВН и ПНВДВП, но представляет собой массив из четырех независимых приводов нагружения давлением (ПНД), которыми можно одновременно управлять, чтобы прикладывать независимые кривые давления к отдельным областям одного испытательного образца ( рис.7).

Рис.7. Привод пространственно-временной нагрузки

Ключевыми особенностями конструкции ППВН является то, что она: а) создает ветровые нагрузки до урагана категории 5 (т. Е. Диапазон от +5 кПа до -10 кПа; б) может следовать кривой давления с высокой точностью для диапазона площади поверхности; в) имеет частотную характеристику до 4-6 Гц; и d) может работать при значительной утечке воздуха (12 - 60 м3 / мин) через трещины в строительных материалах. Рабочие характеристики ПНД зависят от размера используемой испытательной камеры. Независимый серводвигатель контролирует положение вращающегося диска в каждом ПНД, который регулирует давление в камере. Каждый ПНД является портативным и независимо позиционируется в зависимости от расположения подкамер для эксперимента. Датчик давления в каждой подкамере контролирует давление и обеспечивает обратную связь с каждым ПНД. Четыре ПНД объединены в сеть и управляются с помощью единой программы управления на базе ПК.