W artykule przedstawiono analizę rozkładu ciśnienia spowodowanego oddziaływaniem wiatru w bezpośrednim sąsiedztwie oraz na elewacji rzeczywistego budynku biurowego. Analiza taka przeprowadzana jest zwykle podczas wyznaczania obciążeń statycznych spowodowanych wiatrem, dodatkowo może zostać wykorzystana do zaplanowania właściwego rozmieszczenia istotnych elementów instalacji wentylacyjnej takich jak czerpnie i wyrzutnie powietrza oraz okna otwieralne. Obliczenia wykonano z wykorzystaniem oprogramowania CFD Ansys® Fluent® i dodatkowo zweryfikowano stosując proste zależności analityczne.

Obliczenia przeprowadzono dla rzeczywistego budynku biurowego o wysokości 50 m i wymiarach 40 x 50 m zlokalizowanego w Krakowie. Analiza obejmowała prędkości wiatru z zakresu 0,15÷20,0 m/s. Minimalna prędkość odpowiada w przybliżeniu pogodzie bezwietrznej, maksymalna natomiast jest charakterystyczną prędkością wiatru dla Strefy I, w której znajduje się Kraków zgodnie z normą PN-77/B-02011 Obciążenia w obliczeniach statycznych – Obciążenie wiatrem.

Na podstawie danych meteorologicznych dla Portu Lotniczego Kraków – Balice wyznaczono średnią roczną prędkość wiatru w Krakowie na poziomie 7,0 m/s ze zdecydowaną przewagą wiatrów z kierunku zachodniego (W). Z uwagi na lokalizację analizowanego budynku oraz konieczność uniknięcia wpływu obiektów znajdujących się w jego sąsiedztwie obliczenia szczegółowe przeprowadzono dla jednej z najwyższych kondygnacji.

Na potrzeby analizy numerycznej przygotowano model obliczeniowy uwzględniający pojedynczą kondygnację budynku oraz kondygnacje sąsiednie. Budynek umieszczono w przestrzeni odpowiadającej otoczeniu o wymiarach 400 x 400 m. Każda ze ścian wirtualnego świata stanowiła osobną powierzchnię, na której możliwe było zadanie prędkości wlotowej powietrza odpowiadającej analizowanej prędkości wiatru z zakresu podanego powyżej. W ten sposób możliwe było wyznaczenie rozkładu ciśnienia i prędkości w sąsiedztwie budynku w sposób podobny jak odbywa się to podczas badań w tunelu aerodynamicznym. Obliczenia wykonano dla stałej temperatury powietrza równej 15°C. Całkowita liczba elementów powstałych po dyskretyzacji przestrzeni obliczeniowej wynosiła 2 miliony z dodatkowym zagęszczeniem przy elewacji budynku dla zwiększenia dokładności obliczeń.

Do obliczeń wykorzystano dwurównaniowy model turbulencji k-ε Standard, jako kryterium zbieżności przyjęto wartość 0,001 dla wszystkich rozwiązywanych równań.

Na rysunku 1 przedstawiono pola ciśnienia, prędkości oraz wektory prędkości powietrza dla przypadku występującego statystycznie najczęściej w ciągu roku czyli dla wiatru 7,0 m/s z kierunku zachodniego (W).

Rys. 1. Rozkład ciśnienia [Pa] w sąsiedztwie budynku dla wiatru o prędkości 7.0 m/s z kierunku zachodniego (W)

Można wyraźnie zaobserwować strefę nadciśnienia spowodowanego parciem wiatru na elewacji nawietrznej, podobnie jak podciśnienia w sąsiedztwie pozostałych ścian budynku. Maksymalna wartość nadciśnienia wynosi 25 Pa i maleje stopniowo w miarę oddalania się od elewacji nawietrznej. Podciśnienie w sąsiedztwie ścian bocznych budynku jest nieznacznie niższe od panującego bezpośrednio przy elewacji zawietrznej i wynosi ok. 19 Pa. Największa lokalna wartość podciśnienia występuje na styku ścian bocznych z elewacją nawietrzną i wynosi ok. 45 Pa (rys. 2).

Rys. 2. Rozkład prędkości powietrza [m/s] w sąsiedztwie budynku dla wiatru o prędkości 7.0 m/s z kierunku zachodniego (W)

W sąsiedztwie analizowanego budynku zaobserwowano spadek prędkości przepływu powietrza do wartości 0,5÷2,8 m/s. Znaczące obniżenie prędkości przepływu powietrza występuje zarówno po stronie elewacji nawietrznej w odległości ok. 20 m od budynku jak również po stronie elewacji zawietrznej w odległości ok. 70 m.

Z uwagi na fakt, że bryła analizowanego budynku jest w przybliżeniu symetryczna zmiana kierunku wiatru nie wpływa znacząco na zmianę rozkładu ciśnienia i prędkości powietrza w jego sąsiedztwie. Z tego powodu zrezygnowano z prezentacji rysunków dla pozostałych analizowanych kierunków wiatru: północnego (N), wschodniego (E) oraz południowego (S).