Проектирование новых снегозадерживающих конструкций заборов в МИИТе

Главным недостатком заборов с жесткой конструкцией обрешетки является снижение эффективности снегозадержания при острых углах между линией забора и направлением метелевого потока снега.

Поэтому в МИИТе проводилась разработка новой конструкции снегозадерживающего забора, которая имела бы значительно меньший вес, а задерживающая структура забора могла бы изменять направление, приспосабливаясь к направлению ветра.

В качестве перспективного снегозадерживающего устройства предполагается использовать флаги, прикрепленные к обрешетке. Одним из преимуществ такого устройства по сравнению с забором с проницаемостью 50% считается способность эффективно задерживать снег при направлениях ветра, сильно отклоняющихся от перпендикуляра к забору. Были проведены испытания, в ходе которых было установлено, что конструкция с флагами работает при ветрах с различными углами обдува по отношению к линии заборов.

Первым шагом испытаний фрагмента поверхности сетки с флагами в аэродинамической трубе являлось определение зависимостей его коэффициента сопротивления от длины флагов и направления ветра. Коэффициент сопротивления пропорциональность между силой приложенной к объекту и динамическим давлением ветра.

 

,

 

Где - плотность воздуха;

u - скорость потока;

S =0.36м² - площадь модели.

 

Для проведения таких исследований была изготовлена модель в виде фрагмента сетки размером 0.6*0.6 м, показанная на рис. 2.11. Она представляет собой раму из стальной полосы сечением 20 4мм, к которой крепятся съемные стержни диаметром 5мм, образующие сетку. В точках пересечения стержни скреплены между собой винтами. На четыре вертикальных стержня надеты 12 флагов, изготовленных из тентовой ткани. Первоначально длина флагов составляла 300мм. В ходе испытаний они последовательно обрезались до длины 250, 200, 150, 100 и 50мм. Модель устанавливалась в рабочей части аэродинамической трубы Т-129 на державке, оборудованной тензовесами. Державка представляла собой цилиндр диаметром ~100мм расположенный поперек потока. Длина части державки, находящейся в ядре потока составляла ~300мм. Угол между нормалью к плоскости модели и направлением потока изменялся путем поворота державки с помощью механизма аэродинамической трубы (поворотного круга).

a)

б)

Рис. 2.11 Модель фрагмента поверхности снегозадерживающего устройства в виде сетки с флагами. (a) - рамка с сеткой, (б) – флаг

 

Зависимости коэффициента сопротивления сетки с флагами различной длины от скорости потока при ее обтекании без наклона ( =0) показаны на рис. 2.12. Из него видно, что, начиная с длины флагов 100 мм, сопротивление флагов становится достаточно большим и сравнимо с коэффициентом сопротивления забора с проницаемостью 50%. Коэффициент сопротивления коротких флагов практически постоянен, а длинных заметно убывает при увеличении скорости потока. При увеличении длины флагов их коэффициент сопротивления растет, однако этот рост постепенно замедляется и сходит на нет при L=250-300мм. Эта закономерность более четко прослеживается на рис. 2.13, где построены зависимости С_x от длины флагов для двух значений скорости 10 и 25м/сек. Важная особенность этой зависимости - резкий пороговый характер возрастания сопротивления при малых L. Так при L=50мм сопротивление сетки с флагами практически не отличается от голой сетки, а увеличение их длины всего на 50мм приводит к увеличению Сx до 0.5. При этом также резко изменяется картина обтекания: флаги с L=50мм колеблются очень слабо, а при L=100мм амплитуда их пульсаций увеличивается во много раз.

Рис. 2.12. Зависимости коэффициента сопротивления сетки с флагами различной длины от скорости потока при обтекании потоком, направленным по нормали к поверхности ().

 

Рис. 2.13. Зависимости коэффициента сопротивления сетки с флагами от их длины L при обтекании потоком, направленным по нормали к поверхности ().

Испытания сетки с флагами при косой обдувке выполнялись для L=150, 200 и 300мм. Их результаты в виде зависимостей коэффициента сопротивления сеток с флагами разной длины от угла обдува представлены на рис. 2.14. Обработка результатов этих испытаний показала, что сила, действующая на модели, направлена практически по потоку. Коэффициент боковой силы не превышает 0.1 и находится в пределах погрешности измерений. По этой причине результаты измерений боковой силы на рис.2.12 не приводятся. Из рис. 2.12 видно, что при углах обдува меньших 60⁰ коэффициент сопротивления сетки с флагами относительно слабо меняется, уменьшаясь только в 1.5 раза. Это позволяет надеяться, что сетка с флагами будет достаточно хорошо работать в диапазоне углов обдува 0-60⁰.

 

 

Рис. 2.14 Зависимости коэффициента сопротивления сетки с флагами от угла обдува при скорости потока 10м/сек.

 

В этом заключается преимущество флагов перед стандартным забором, который хорошо работает только при .

Опыт испытаний флагов в аэродинамической трубе показал, что они подвержены сильному износу. Так, флаги в виде отрезков капроновой стропы начали распускаться на отдельные нити в первые минуты работы. Изготовленные из тентовой ткани флаги успешно выдержали цикл испытаний в аэродинамической трубе продолжительностью порядка 1часа нахождения в потоке, однако на них были отмечены следы износа. Поэтому проблема обеспечения достаточного ресурса флагов является ключевой.

В ходе испытаний на ресурс были установлены зависимости износа от плотности и размеров флагов, а также были найдены оптимальные параметры. Так стало известно, что флаги с плотностью равной 960 гр/м² разрушаются быстрее чем более легкие, размеры были приняты 300 на 300 миллиметров. Конструкция флажкового снегозадерживающего забора представлена на рис. 2.15.

 

Рис. 2.15 Флажковый снегозадерживающий забор

 

По натурным измерениям было установлено, что флажковый забор заносится снегом быстрее и длина зоны отложения меньше чем у аналогичных конструкций. У деревянных снегозадерживающих конструкций зона отложения составляет порядка 35Н (Н- высота снегозадерживающего забора, устройства), а зона приноса порядка 15-20Н. Также снегозадерживающая способность флажкового снегозадерживающего забора меньше чем у аналогичных устройств. Параметры зон приноса и отложения и снегосборная способность деревянных снегозадерживающих заборов представлена на рисунке 15.

Рис. 2.16. Параметры зон отложения и приноса деревянных снегозадерживающих конструкций