Принцип понижения скорости ветра при использовании системы отверстий переменного сечения в ограждениях, предназначенной для обеспечения безопасности воздушного и наземного транспорта

Ветер — это поток воздуха, который движется около земной поверхности, как правило, в горизонтальном направлении из зоны высокого атмосферного давления в зону низкого. Энергия ветра используется человеком в различных сферах деятельности, однако его сила может представлять опасность. Чтобы определить характер воздействия ветра на различные тела используют шкалу Бофорта [9] — двенадцатибалльную шкалу, принятую Всемирной метеорологической организацией для приближённой оценки скорости ветра по его воздействию на наземные предметы или по волнению в открытом море. Приведем ее в таблице 1.

Таблица 1

Шкала Бофорта

Даже ветер, имеющий скорость гораздо меньшую по сравнению с ураганом, может представлять опасность, не столько масштабную для окружения человека и его самого, сколько для авиации и для автомобилей.

Проблема бокового ветра [1,6] — воздушного потока, дующего перпендикулярно взлётно-посадочной полосе — для авиации велика, так как представляет опасность для человека и техники. Его значения для разных самолетов отличаются. Например, максимально допустимое значение составляющей бокового для Ан-24 — не более 12 м/с, для Ту-154–17 м/с, для Ту-134–20 м/с на сухой бетонной полосе [6]. Такая же проблема существует для автомобилей, только опасность возникает на участках скоростных магистралей, загородных трассах и т. д. Как в авиации, так и в автомобильном движении есть вероятность того, что средство передвижения перевернется на бок.

Решить проблему можно несколькими способами:

1. Уменьшить скорость ветра с помощью статичных конструкций.
2. Сделать корпус с обтекаемой боковой частью.

Второй способ достаточно дорогой и долгий в силу того, что изменения должны коснуться всех машин (эксплуатируемых и разрабатывающихся), а также требуют серьезной работы над аэродинамическими характеристиками нового корпуса. Поэтому рассмотрим первый способ.

Ветер — это поток, поэтому, используя ограждения — неизменяемые во времени конструкции, можно удержать его на одной стороне, а на другой его не будет. Однако любая преграда является обтекаемой для воздушного потока, и он будет ощущаться по обе стороны, следовательно, полностью избавиться от ветра не получиться.

Пусть воздушный поток будет не задерживаться оградой, а проходить через нее, уменьшая скорость на выходе. Этого можно добиться созданием отверстий переменного сечения в ограде. Для нахождения параметров отверстий рассмотрим движение воздушного потока в трубе переменного сечения, как необходимого отверстия, используя уравнение неразрывности [5,8]. Условия безопасности используем для авиации. Так как при скорости ветра более 20 м/с [6] самолеты не летают, а наземным объектам наноситься ущерб, то примем ее за границу между опасным и безопасным значением и уменьшим до 2-ух бального ветра. Запишем условие в таблице 2 и проиллюстрируем на рис. 1.

Таблица 2

Рис. 1. Иллюстрация отверстия с условиями задачи

1. Используя уравнение неразрывности, найдем отношение площадей поперечного сечения для концов трубы:

,

где и - скорость ветра и площадь поперечного сечения трубы на входе соответственно, и - скорость ветра и площадь поперечного сечения трубы на выходе соответственно.

2. Используем формулу площади круга, чтобы найти отношения радиусов концов трубы:

,

где S и r — площадь и радиус поперечного сечения конца трубы соответственно.

Отношение радиусов приблизительно равно 3,16.

Далее рассмотрим необходимый размер и расположение отверстий, а также параметры для ограждения:

1. Так как предложенные отверстия имеют сходства с трубой Вентури [7], то их длина, для эффективного изменения скорости должна соответствовать стандартам второй — равна и более диаметра отверстия на выходе.
2. Для уравнения неразрывности важно, чтобы поток был сплошным [5], то есть все пространство трубы заполнено воздухом, но плотность воздуха в разных местах неодинакова. Проиллюстрируем два случая на рис. 2.

Рис. 2. Иллюстрация заполнения отверстия воздухом одной и разной плотности

Для решения этой проблемы поперечное сечение входного отверстия должно быть много меньше самого ограждения [4], обеспечивая одинаковые параметры воздуха в ней.

3. Так как отверстия достаточно малы, то они должны располагаться в большом количестве в ограждении. При этом, расстояние между центрами сечений на выходе должно превышать их диаметр, ведь в противном случае прочность стенок отверстий будет мала. Расстояние между сечениями на входе задается положением сечений на выходе.
4. Размеры ограждения должны быть таковыми, чтобы высота была больше или равна высоте транспорта, а толщина должна соответствовать длине отверстий (больше или равна диаметру отверстия на выходе).
5. Длина ограждения соответствует длине участка, где нужно понизить скорость ветра.

Таким образом, ограждение, использующее систему отверстий переменного сечения, может уменьшать скорость в десять раз, если:

1. Отношение радиусов отверстий равно 3,16;
2. Размер отверстий должен быть намного меньше размера ограждения;
3. Длина отверстия и толщина ограждения должна быть больше или равна диаметру сечения отверстия на выходе;
4. Высота ограждений должна быть не менее высоты транспорта;
5. Длина недолжна быть меньше длины защищаемого участка.

Рис. 3. Схематичная иллюстрация сегмента ограждения

Данное ограждение позволит снизить скорость ветра, что в свою очередь обеспечит безопасность на ветреных участках автомобильных дорог и взлётно-посадочных полосах. Также это позволит обеспечить стабильное транспортное сообщение при плохой погоде. Данный принцип может использоваться не только на Земле, но и на колонизируемых небесных объектах, имеющих атмосферу. В качестве примера можно указать Марс с его пылевыми бурями [3], где уменьшение воздействий ветра на предполагаемые места колоний актуально для обеспечения безопасности людям.

Литература:

1. Боковой ветер — опасно? — Текст: электронный // Drivee: [сайт]. — URL: http://drivee.ru/bokovoj-veter-opasno.html (дата обращения: 22.06.2020).
2. Ветер. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Ветер#Причины (дата обращения: 22.06.2020).
3. Климат Марса. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Климат_Марса (дата обращения: 22.06.2020).
4. Механика сплошных сред. — Текст: электронный // mipt.ru: [сайт]. — URL: https://mipt.ru/education/chair/physics/S_II/lab/lab_133.pdf (дата обращения: 22.06.2020).
5. Параметры воздушного потока. — Текст: электронный // Studopedia.ru: [сайт]. — URL: https://studopedia.ru/6_153916_parametri-vozdushnogo-potoka.html (дата обращения: 22.06.2020).
6. При какой скорости ветра не летают самолеты. — Текст: электронный // Samoleting: [сайт]. — URL: http://samoleting.ru/raznoe/pri-kakoj-skorosti-vetra-ne-letayut-samolety.html (дата обращения: 22.06.2020).
7. Трубы Вентури. Технические условия. — Текст: электронный // StandartGOST.ru: [сайт]. — URL: https://standartgost.ru/g/ГОСТ_23720–79 (дата обращения: 22.06.2020).
8. Уравнение неразрывности струи воздушного потока. — Текст: электронный // Studopedia.net: [сайт]. — URL: https://studopedia.net/12_66053_uravnenie-nerazrivnosti-strui-vozdushnogo-potoka.html (дата обращения: 22.06.2020).
9. Шкала Бофорта. — Текст: электронный // Wikipedia: [сайт]. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Шкала_Бофорта (дата обращения: 22.06.2020).