A szélcsatorna modellek készítéséhez 3D nyomtató illetve 3-5D-s marógép beszerzését tervezzük, amely MDF vagy XPS hab anyagból 3D számítógépes állomány alapján elkészíti a komplex geometriájú épületmodelleket, modellrészeket, domborzatot. A gépek üzemeltetését a tervek szerint az Építészmérnöki kar Rajzi és Formaismereti Tanszék végzi majd, amelynek saját műhelyében elegendő hely és szaktudás áll rendelkezésre a gépek üzemeltetéséhez, emellett így a gépek más oktatási feladatokba is bevonhatóak (pld. építész hallgatói diplomaterv modellek készítése) amely által a gépek jó hasznosulása hosszú távon biztosítható.
Feszített membrántető szélcsatorna modelljének 3D marással készült sablonja
Feszített membrántető elkészült szélcsatorna modellje
Domborzati szélcsatorna modell építése hagyományos technológiával, rétegelt lemezből
AZ M0 autóút északi szektorának elkészült domborzati modellje.
Stadionmodell, melynek alsó része 3D habmaróval készült
Modell-előkészítő műhely
A szélcsatorna létesítése mellett szükséges az AE épületben egy modellelőkészítő műhely kialakítása az épület gépműhelyében, ahol a szélcsatorna épületmodellek, domborzatmodellek mérésre való előkészítésének egyes munkálatai, a modellek végszerelése lesz lehetségesek (modellek ragasztása, nyomáscsövezés, EPS hab, MDF és kompozit alkatrészek készítése). Fontos szempont, hogy a jelenlegi gépműhellyel ellentétben az a műhelyrész önálló feladatos, TDK-zó, diplomatervező hallgatók által is használható lesz. Ez a meglévő helyiségben lévő gépek áthelyezését, a leromlott állapotú bitumenes padló cseréjét, nyílászárók cseréjét, új munkaasztalok kialakítását, és hallgatók által is használható fa, műanyag és habmegmunkáló kisgépek beszerzését jelenti.
A lakatosműhely jelenleg
A modell-előkészítő műhely tervezett kialakítása
Modelltároló
Szélcsatorna modellek tárolására, és a laboratórium általános tárolási igényeinek fedezésére az AE épület alagsorában elhelyezkedő 70 m2-es, leromlott állapotú helyiségének minimalista jellegű felújítását tervezzük. Tartalma: világítás bevezetése, vakolat rendbetétele, polcrendszer építése, emelő létesítése a meglévő aknába a modellek földszintről történő beemelésére, személybejárati ajtó nyitása az épület lépcsőházának irányába.
Az alagsori helyiség, amiben a modelltárolót szeretnénk kialakítani.
Az új szélcsatorna jobb minőségű mérési adatai nem csak a valóság közvetlen megismerésére használhatóak, hanem az áramlástani numerikus modellek (Computational Fluid Dynamics – CFD) validációjára is. Légköri áramlások esetében (például baleseti szennyezőanyag-terjedés vizsgálatakor) a terepi mérések többsége nem reprezentatív, mert a reprezentativitáshoz szükséges időtartam során a mérési peremfeltételek (szélsebesség, szélirány) nem maradnak állandóak illetve nem mérhetőek teljes részletességgel. Ezért a validációra ilyen esetben a szélcsatorna kísérlet – amelyben a peremfeltételek jól ismertek és mérhetőek – sokkal alkalmasabb.
Szélcsatorna és CFD szimulációs légyszennyezettség-változási eredmények összehasonlítása a Budapest, Soroksári úton és környékén.
Magas épületek körüli áramlás áramvonalai (CFD szimulációból ) és nyomáseloszlás (szélcsatorna mérésből) megjelenítése közös ábrán. (Budapest, a Finta Stúdió által tervezett Raiffeisen tornyok)
A nagy számítási tartományú és nagy Reynolds-számú atmoszférikus áramlások numerikus szimulációja igen számításigényes, sokmagos számítógépet, és ezt kezelni képes szoftverlicencet igényel.
A szélcsatorna kísérletekkel validált numerikus szimuláció viszont a pusztán szélcsatorna kísérletekből elérhetőnél jóval több lehetőséget kínál: a teljes 3D áramlási mező ismeretét, termikus hatások figyelembevételét, optimalizációs algoritmusok futtatását.
A szélcsatornában vizsgált atmoszférikus áramlások CFD szimulációjára ezért nagy teljesítményű 16-24 magos munkaállomást és sokmagos, paralellizált futtatást lehetővé tevő ANSYS FLUENT CFD szoftvercsomagot tervezünk beszerezni.
A szélcsatorna létesítésével párhuzamosan szükséges a szélcsatorna méréstechnikájának fejlesztése is. Olyan eszközöket kívánunk beszerezni, amelyek sokoldalúan (nem csak egy kutatási projektben) használhatóak, ezzel biztosítva az eszközök szakmai megtérülését, hosszútávú jó kihasználtságát.
1. Szondamozgató traverz
A határréteg szélcsatorna legfontosabb méréstechnikai felszerelése a tetszőleges szonda, érzékelő, kamera 3D mozgatására képes traverz. A rendszer lépetőmotorokból, léptetőmotor kontrollerekből és lineáris vezetékekből, golyósorsós lineáris egységekből épül fel. Az új szondamozgató a nagy göttingeni típusú szélcsatorna 2012-ben elkészült szondamozgató rendszerének felépítését követi, amely elnyerte a National Instruments Magyarország 2010-2011 pályázat 2. helyét.
A nagy göttingeni típusú szélcsatorna szondamozgató rendszere
A nagy göttingeni típusú szélcsatorna szondamozgató rendszere
Specifikáció
Mozgástartomány (H x Sz x M): kb. 14 m x 2.6 m x 1 m
Lineáris vezeték típusok: Bosch / Isel
Pozicionálási pontosság: 0.5 x 0.2 x 0.2 mm
Mozgásvezérlő: National Instruments PXI/PCI 7344/7354
2. Sokcsatornás szimultán nyomásmérő rendszer
Az épületekre ható szélterhelés meghatározásának egyik módja az épület felületén elhelyezett nyomásmérő pontok felületen történő integrálása. Komplex épületgeometriáknál ehhez 200-600 nyomásmérő pont szükséges. A tradicionális rendszerek mechanikus nyomáspontváltókat alkalmaztak, ezek egymás után kötötték össze a nyomáspontokat egyetlen nyomástávadóval, ily módon mérték meg a nyomáspontokon a nyomás átlagértékét és szélső értékeit. Ez a módszer időigényes és nem szolgáltat egyidejű, pillanatnyi nyomáseloszlást.
Az új rendszer kedvező árú (40-50 EUR/db) miniatür nyomásszenzorok szimultán mérésén alapul, sokcsatornás A/D átalakítók segítségével. A PXI formátumú A/D átalakítók a laboratórium meglévő PXI keretrendszerébe sorolhatóak, belőlük akár 500-600 csatornás rendszer építhető. A teljes rendszer kiépítése előtt kisebb csatornaszámú pilot rendszerrel teszteljük a megfelelő működést.
miniatür nyomásszenzor
PXI mérőrendszer
Egy feszített membrántető felszínén kialakult nyomáseloszlás, sokcsatornás mérőrendszerrel végzett mérésből interpolálva.
Specifikáció
Tervezett csatornaszám: 496-576
Szenzortípus: Sensortechnics HCLA, Honeywell Trustability
Szenzor jellemzők: erősített analóg kimenet, hőmérséklet kompenzált
Szenzor méréshatár: +/- 500 Pa … +/- 800 Pa
Szenzor kombinált mérési bizonytalanság: <0.5% FS
Adatgyűjtő kártya: National Instruments PXIe-6375, 208 Analog Inputs
3. Erő- és nyomatékmérő rendszer
Az épületekre ható szélterhelés meghatározásának másik módja az épületre ható erők közvetlen mérése az épület többkomponensű erőmérő platformra történő rögzítésével. Így például egy magasház modell esetében az alapoknál ható erők és nyomatékok meghatározhatóak. Mivel nem csak erők és nyomatékok átlaga, hanem azok időbeli lefutása is fontos mennyiség, ezért a rendszer sajátfrekvenciájának jóval a várt frekvenciák felett kell lennie. A pályázat keretében a rendszer építéséhez szükséges erőmérő cellákat és távadókat szerezzük be.
4. Rezgés/deformációmérés 3D digitális képkorrelációs rendszerrel (DIC)
Az új laboratórium aeroelasztikus vizsgálatok végzésére is alkalmas lesz, azaz a szélerők és az épületek / szerkezetek lengéseinek kölcsönhatását tudjuk vizsgálni. Egy korábbi, a nagy göttingeni szélcsatornában végzett mérés videofelvételén egy ilyen aeroelasztikus hídmodell belebegése (flutter) látható (A vizsgálatot Dr. Lajos Tamás professzor és Dr. Szabó Gergely végezte).
Digital Image Correlation (DIC) rendszer alkotóelemei: világítás, kamerák, kontroller, szoftver (Fotó: Lavision GmbH)
Aeroelasztikus modellek vizsgálatánál, amennyiben a rendszer szabaságfokainak száma magas, az elmozdulások pontos térbeli meghatározását 3D digitális képkorrelációs rendszer (digital image correlation, DIC) teszi lehetővé. A rendszer sztereoszkopikus kameraelrendezéssel határozza meg a referenciapontok térbeli elmozdulását. A modell megfelelő festésével a referenciapontok száma akár több millió is lehet. Objektív cserével a vizsgált tartomány mérete széles tartományban változtatható, és a rendszer nem csak szélcsatorna lengésmérésre, hanem pld. ponyvaszerkezeti anyagok tönkremeneteli vizsgálatánál is használható lesz. A rendszer időbeli felbontását a kamerák sebessége határozza meg. Aeroelasztikus szélcsatorna modelleken történő alkalmazásnál ennek 100 Hz felett kell lennie.
5. Prandtl-csövek, nyomástávadók, mérőerősítők
Az új szélcsatornában a beállított referencia szélsebesség mérésére több nagyméretű Prandtl-cső és kapcsolódó nyomástávadó szükséges.
Specifikáció
Prandtl-cső darabszám: 3
Prandtl-cső hossz: min. 1 m
Nyomástávadó darabszám: 3-6
Nyomástávadó méréstartomány: 0-5 mbar, +/-5 mbar, +/-1″WC
Kimeneti feszültség: 0-5 V vagy 1-5 V
Mérési bizonytalanság: max 0.15% FS
6. Többlyukú szonda
A szélcsatornában kialakuló atmoszférikus határréteg mindhárom sebesség-komponensének időfüggő mérésére többlyukú (4, 5, 7-lyukú) szonda és hozzá tartozó mérőszoftver a legalkalmasabb. A rendszer mérési elvét és egy gyakorlati szondamegvalósítást az alábbi képeken láthatunk.
Min. mérési frekvencia: 500 Hz
Max. szondafejátmérő: 5 mm
Egyéb jellemző: Mérőrendszer és szoftver kapcsolható legyen meglévő National Instruments analóg adatgyűjtő kártyához
7. Nagy teljesítményű lézerforrások LDA alkalmazáshoz
szilárdtest-lézer forrás lézer-Doppler anemométeres (LDA) alkalmazáshoz (Fotó: TSI Inc.)
Az új szélcsatornában az épületek, szerkezetek körüli, leválási buborékban (visszaáramlásban) történő nagy térbeli és időbeli felbontású szélsebesség-mérésre lézer-Doppler anemometriát fogunk alkalmazni (a többlyukú szonda erre nem alkalmas). Az 500 mm feletti fókusztávolsággal történő méréshez a laboratóriumban rendelkezésre álló 300 mW-os egységnél erősebb lézerforrásokra van szükség. Az energiafelhasználás korlátozására és a lézerek komplikált vízhűtésének elkerülésére nem gázlézer, hanem szilárdtest-lézerforrások beszerzését tervezzük. Az LDA technikával a Budapest József Nádor tér modelljén végzett szélcsatorna mérést és eredményeit mutatják az alábbi képek.
A budapesti József nádor tér 1:350 léptékű modellje a göttingeni típusú szélcsatornában.
LDA mérési pontok elhelyezkedése a József nádor tér modellmérésnél.
Lézer-Doppler anemométeres mérés a József nádor tér 1:350 léptékű modelljén
A József nádor téren kialakuló sebességmező és helyi szélrózsák északi széliránynál LDA mérés alapján
Specifikáció
Lézerforrás darabszám: 2
Hullámhossz: 2 különböző hullámhossz, 457 – 532 nm között
Lézerteljesítmény egységenként: >500 mW
Egyéb jellemzők:
– szilárdtest lézer
– 40 MHz-el eltolt lézersugár kiadása szükséges
– TSI 2D LDV rendszer optikai couplereihez kompatibilis csatlakozás szükséges.
A projekt legjelentősebb tétele a szélcsatornának helyt adó laboratóriumi helyiség építése, és ez jelenti a legnagyobb kihívást is. A szélcsatorna méreteiből, és a modellek mozgatásához, valamint a levegő recirkulációjához szükséges oldaltávolságokból kb. 30-32 m csarnokhossz, 9-10 m szélesség és kb. 6 m belmagasság adódik. A laboratóriumnak:
az egész éves használhatóság miatt fűtöttnek és jól szigeteltnek,
az esetleges légcsere igény miatt megfelelő nagyságú légcsere nyílásokkal ellátottnak,
az áramlási vizualizációk és a lézeres méréstechnikák munkavédelmi követelményi miatt elsötétíthetőnek,
a modellek és mérőeszközök szállítása miatt kapuval, és teherlifttel ellátottnak kell lennie.
Mivel a szélcsatornának mindenképpen az AE épületben vagy annak közvetlen közelében kell elhelyezkednie (a többi szélcsatornával való szinergia ekkor használható ki) és megfelelő nagyságú üres labortér nem áll rendelkezésre, ezért új épületrész építése szükséges. A terület, a BME középső campusa világörökségi terület pufferzónájába sorolt, az AE épület pedig 1936-ban épült, a korábbi Duna-meder feltöltött területén. Az ebből adódó építészeti, építési engedélyezési, valamint statikai nehézségek áthidalása indokolja az épületrész várhatóan viszonylag magas építési költségét.
A Magyar Királyi József Nádor Műegyetem Aerodinamikai Intézetének 1936-ban elkészült új épülete, az AE épület, amely két, világszínvonalat képviselő szélcsatornának adott helyet.
Az AE épület, délkeleti sarka felől. Jól látható a függőleges szélcsatorna magasra nyúló visszatérő ága, valamint az udvar üvegezett félteteje.
Az AE épületnek a nagy göttingeni szélcsatornának és a nagy laboratóriumnak helyt adó oldala
A BME AE épület és környezete jelenleg.
Az elhelyezésre 8 különböző változatot vizsgáltunk meg, amelyek közül az ‘I’ változat kínálja a legjobb használhatóságot. Ennek a változatnak az építési engedélyezési terveit a Norman Mérnöki Iroda készítette el.
Az építési engedélyezési kérelmet 2016. decemberében benyújtottuk a XI. kerület (Újbuda) építési hatóságához, és a részletes költségterv is rendelkezésre áll.
A laboratórium munkaközi tervei. Tervező: Norman Mérnöki Iroda. Felelős tervező: Halász Attila okl. építészmérnök, tervező Bohus Éva okl. építészmérnök.
A laboratórium munkaközi tervei. Tervező: Norman Mérnöki Iroda. Felelős tervező: Halász Attila okl. építészmérnök, tervező Bohus Éva okl. építészmérnök.
A laboratórium munkaközi tervei. Tervező: Norman Mérnöki Iroda. Felelős tervező: Halász Attila okl. építészmérnök, tervező Bohus Éva okl. építészmérnök.
A laboratórium munkaközi tervei. Tervező: Norman Mérnöki Iroda. Felelős tervező: Halász Attila okl. építészmérnök, tervező Bohus Éva okl. építészmérnök.
A laboratórium munkaközi tervei. Tervező: Norman Mérnöki Iroda. Felelős tervező: Halász Attila okl. építészmérnök, tervező Bohus Éva okl. építészmérnök.
Az új határréteg-szélcsatorna tervezésénél a nemzetközi szakirodalom ajánlásait, az Áramlástan Tanszék korábbi és jelenlegi munkatársainak tapasztalatait, és több külföldi szakértő véleményét vettük figyelembe.
Ezek szerint a szélcsatorna mérőterének szélessége min. kb. 3 m kell legyen, az ún. határréteg generáló szakasz hossza, amelyen elhelyezett érdességi elemek a légköri határréteghez hasonló áramlást hoznak létre, min. 10 m kell legyen.Ez biztosítja, hogy a kialakuló áramlás lökésessége, az örvények mérete híven követi a valóságot a tervezett 1:200-as modelléptékben is.
A szélcsatorna tervezésénél több külföldi szélcsatorna laboratóriumban tett személyes látogatás tapasztalatai is belefolytak (University of Surrey, ETH Zürich /EMPA, KIT Karlsruhe, Universität Hamburg, TU Eindhoven), A közelmúltban épület- és környezeti aerodinamikai vizsgálatokra épült szélcsatornák adatait is összegeztük.
Az elmúlt években épült vagy most épülő határréteg szélcsatornák fő adatai
A szélcsatorna konfiguráció meghatározásánál szintén szakirodalom alapján két megoldás kristályosodott ki, amely maximális felhasználási lehetőséget nyújt:
a laboratórium belső levegőjét keringtető nyitott üzemű szélcsatorna, amely a laboratóriumon nyílások megnyitásával szükség esetén külső levegőt is képes használni (ha pld. terjedési kísérletekben a kibocsátott nyomgáz laboratóriumból való kiürítése szükséges)
Recirkulációs szélcsatorna, amelyen szintén nyílások megnyitásával a recirkulált levegő cseréje lehetséges.
Az épületben elérhető hely és az alacsonyabb építési költség miatt az 1. lehetőséget választottuk. A szélcsatorna tervezett elrendezését a következő képek mutatják.
Mérőtér mérete: 15 – 17 x 3.3 x 2 m
Teljes hossz: kb. 26 m
Max. szélsebesség: 20-25 m/s
Ventilátor teljesítmény: 6 x 30 vagy 6 x 37 kW
A szélcsatorna előterve
A szélcsatorna előterve
A szélcsatorna mérőtere egy városmodellel (előterv)
A szélcsatorna mérőtere egy városmodellel (előterv)
A szélcsatorna látványterve (előterv)
A szélcsatorna tervezése során a korábbi, az Áramlástan Tanszéken tervezett kisebb szélcsatornák tapasztalataira, a Dr. Vad János vezetésével tervezett gödöllői szélcsatorna megoldásaira, illetve külföldi szélcsatornákban alkalmazott konstrukciós megoldásokra fogunk támaszkodni, amelyekre az alábbiakban látunk példát.
A Hamburgi Egyetem határréteg-szélcsatornája az egyik legnagyobb Európában
Város átszellőzésének vizsgálata a Hamburgi Egyetem határréteg-szélcsatornájában. A tervezett szélcsatorna hasonló méretű.
A gödöllői Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ (NAIK) Dr. Vad János vezetésével és több műegyetemi kutató közreműködésével tervezett szélcsatornája
Az EMPA és az ETH Zürich új recirkulációs határréteg szélcsatornája
A University of Surrey meteorológiai határréteg-szélcsatornája Guildfordban 20 x 3.5 x 1.5 m nagyságú mérőterével
A karlsruhei Laboratory of Building- and Environmental Aerodynamics “VW” szélcsatornája. Forrás: KIT Institut für Hydromechanik
A szélcsatorna kísérletekkel validált numerikus szimuláció viszont a pusztán szélcsatorna kísérletekből elérhetőnél jóval több lehetőséget kínál: a teljes 3D áramlási mező ismeretét, termikus hatások figyelembevételét, optimalizációs algoritmusok futtatását.
