Моделирование ветровой нагрузки для анализа аэродинамики опор двойного назначения с антеннами, установленными на них

Введение

В наши дни сотовая связь проникла практически во все сферы повседневной жизни. Она нам дает мобильность – главное свойство сегодняшней действительности. С учетом того, что рынок телекоммуникационных услуг находится в зрелой стадии развития, он продолжает испытывать значительные преобразования, связанные с более высокими требованиями современного общества. Начиная с 2012 года в России стали развиваться сети четвертого поколения (4G), без которых пользователи на сегодня не представляют комфортной жизни. Для организации правильной работы сетей 4G оборудование необходимо устанавливать на высоте 9–30 метров от уровня земли, а расстояние между базовыми станциями (комплекса радиооборудования, установленного на одной опоре) должно быть не более 500 метров, но в связи с ограничением мощности передачи данных из-за ограничения Роспотребнадзора расстояние между базовыми станциями необходимо уменьшать вдвое. Поэтому возникает необходимость формирования в крупных городах хорошо организованной инфраструктуры для размещения оборудования сотовой связи и обеспечения требуемой пропускной способности сети. В Москве для решения подобной задачи начали использовать инфраструктуру Моссвета, надстраивая существующие конструкции до необходимой высоты. Совмещение опор освещения и коммуникационного оборудования создало новый вид сооружения под названием опора двойного назначения (ОДН). В Москве насчитывают более 5 тыс. опор двойного назначения. Данный вид сооружения набирает популярность и в других городах России.

По данным компании «Новые башни», которая является лидером среди владельцев инфраструктуры для размещения оборудования сотовой связи, на башни и мачты отводится не более 10 % от общего числа строящихся коммуникационных сооружений. На 2022 год на балансе компании находится более 32 000 объектов.

С каждым годом сети операторов становятся все более чувствительными, и для уменьшения помех требуется уменьшать высоту подвеса оборудования и быть ближе к передатчику и приемнику. В наши дни в области развития сотовой связи более популярными сооружениями связи являются ОДН. Преимущества ОДН в том, что они занимают меньшую площадь земли, а фундаменты можно устроить между подземными коммуникациями.

Внешний вид ОДН показан на рис. 1 [1]. Данные конструкции могут изготавливаться из конической стальной оболочки, многогранной стальной оболочки либо из цилиндрических труб. Основная особенность опор в том, что помимо размещения на ней оборудования оператора сотовой связи они выполняют функцию опоры освещения. ОДН отличаются от остальных столбов связи более высокой гибкостью и соответственно более высокими показателями по перемещениям. На сегодняшний день к ОДН предъявляют следующие требования:

– конструкции должны быть менее заметные;

– высота должна быть не более 30 и не менее 9 метров;

– фундаменты должны быть минимальными, так как работы проводятся в стесненных условиях городской застройки;

– кабели для подключения оборудования должны быть расположены внутри тела опоры.

Так как опоры двойного назначения расположены на центральных улицах города, оборудование оператора сотовой связи должно располагаться максимально компактно. Чем выше установлено оборудование, тем большая доля воздействия ветровой нагрузки на опору. Верхняя секция в большинстве конструктивов компании «Новые башни» выполнена из трубы диаметром 114 мм, поэтому анализ опоры с оборудованием, расположенным именно на этой секции, наиболее важен. В данной работе рассматривается анализ изменения ветровой нагрузки и аэродинамического коэффициента конструкций секции ОДН диаметром 114 мм с установленными на ней панельными антеннами в зависимости от размера антенн и их расположения относительно секции.

Среди всех типов антенн наиболее распространены панельные антенны. Они используются как секторные антенны, предназначенные для организации покрытия в заданной области. Именно через них излучается сигнал к мобильным станциям абонентов и принимается от них. Внешний вид панельных антенн показан на рис. 2 [2].

Цели

– Проанализировать изменение ветровой нагрузки на ОДН с установленными на ней панельными антеннами и влияние на прочность и устойчивость конструкции ОДН.

– Определить зависимость аэродинамического коэффициента от размера панельных антенн и их расположения относительно секции.

– Определить зависимость величины ветровой нагрузки от размера панельных антенн и их расположения относительно секций.

– Получить рекомендации по установке панельных антенн на верхней секции ОДН диаметром 114 мм.

Материалы и методы

Для решения поставленной задачи была использована программа SolidWorks, модуль Flow Simulation. SolidWorks – программный комплекс САПР для автоматизации работ промышленного предприятия на этапах конструкторской и технологической подготовки производства. Flow Simulation – семейство дополнительных модулей по газо- и гидродинамическим расчетам. Позволяет моделировать течение жидкостей и газов, управлять расчетной сеткой, использовать типовые физические модели жидкостей и газов, выполнять комплексный тепловой расчет, газо- и гидродинамические и тепловые модели технических устройств, нединамический и нестационарный анализ, расчет вращающихся объектов [3].

В SolidWorks Flow Simulation ветровая нагрузка моделируется с использованием функции «внешние потоковые условия». В программе возможно задать скорость и направление ветра, а также выбрать модель турбулентности для более точного моделирования поведения воздушного потока. После настройки параметров ветра выполняется анализ воздушных потоков и получаются результаты, такие как распределение давления и силы на модель.

На первом этапе исследования была произведена верификация граничных условий виртуальной аэродинамической трубы. В качестве модели для верификации было принято прямоугольное сечение размерами 200 × 100 мм. Расчет аэродинамического коэффициента для такого сечения рассчитывается по Приложению В.1.13 [4]. Аэродинамические коэффициенты лобового сопротивления призматических сооружений определяются по формуле

c_x = k_λ × c_x ∞.

Значение коэффициента k_λ в зависимости от относительного удлинения λ_e элемента определяется по Приложению В.1.15 [4]. В данной статье мы будем определять только c_x ∞, так как антенны могут быть разной длины, и учесть изменение возможно с помощью коэффициента, определенного по [4]. Значения коэффициента c_x ∞ для прямоугольных сечений приведены на рис. В.19 [4]. Для прямоугольного сечения размерами 200 × 100 мм аэродинамический коэффициент получается 2,2. На рис. 3 изображено получение данного результата. По оси абсцисс принято значение 0,5, что является отношением толщины прямоугольника к его ширине.

Для определения данного коэффициента с помощью программы SolidWorks были приняты следующие исходные данные:

Аэродинамический коэффициент определен по формуле 2 [5]:

где F – лобовое аэродинамическое сопротивление, Н;

A – площадь проекции тела поперек воздушного потока, м ²;

ρ – плотность воздуха, кг/м ³ (принята 1,2041 кг/м ³ при температуре 20 °C);

V – скорость воздушного потока, м/с (принята 150 км/ч, или 41,67 м/с). Данная скорость ветра приведена в справочниках на антенны. Изменение скорости ветра в меньшую сторону незначительно влияет на аэродинамический коэффициент, в пределах 5 %, так как с уменьшением скорости ветра уменьшается и лобовое аэродинамическое сопротивление.

Тип течения – ламинарное и турбулентное.

Шероховатость – 1 мм.

Тип расчетной области – двумерный, для определения c_x ∞.

Сетка выставлена автоматически.

Третий уровень адаптации сетки.

В результате расчета были получены следующие данные:

Среднее значение лобового аэродинамического сопротивления составляет 509 Н. Эпюра изменения скорости ветрового потока показана на рис. 4. Аэродинамический коэффициент сечения 200 × 100 мм равен 2,43. Погрешность значений, полученных с помощью рис. В.19 [1] и программы SolidWorks, составляет 10 %.

Исходные данные для расчета аэродинамических характеристик антенн приняты аналогичными. Схема модели для расчета показана на рис. 5. Был произведен расчет 125 моделей различных размеров. Вылет антенны изменялся от 100 до 200 мм с шагом 25 мм, ширина антенны изменялась от 200 до 400 мм с шагом 50 мм, толщина антенны изменялась от 100 до 200 мм с шагом 25 мм.

Результаты

Некоторые результаты расчета лобового аэродинамического сопротивления занесены в табл. 1.

Эпюра изменения скорости ветрового потока расчетной модели показана на рис. 6.

По полученным значениям были построены графики зависимости аэродинамического коэффициента от вылета панельных антенн (рис. 7). Аналогично были получены графики зависимости произведения аэродинамического коэффициента и ветровой ширины от вылета панельных антенн (рис. 8). Величина произведения аэродинамического коэффициента на ветровую ширину отображает величину ветровой нагрузки, передаваемую на ствол опоры двойного назначения.

Выводы

По результатам выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

– Аэродинамический коэффициент уменьшается с увеличением вылета панельных антенн от трубостойки вне зависимости от их размера. Чем больше панельные антенны прижаты к трубостойке, тем ближе они находятся к соседним антеннам, тем самым затрудняя продувания сечения в центре.

– Величина произведения аэродинамического коэффициента на ветровую ширину отображает величину ветровой нагрузки, передаваемую на ствол опоры двойного назначения. Как видно из графиков зависимости, аэродинамический коэффициент уменьшается от увеличения вылета от трубостойки, величина ветровой нагрузки практически не меняется. Лишь при большой ширине и толщине антенны нагрузка в зависимости от вылета антенны увеличивается.

При проектировании панельных антенн на трубостойке диаметром 114 мм необходимо руководствоваться размером сечения панельных антенн. Если ширина панельной антенны более 350 мм, а толщина более 150 мм, то рекомендуется проектировать установку таких панельных антенн как можно ближе к рассматриваемой трубостойке, чтобы уменьшить ветровую нагрузку на опору двойного назначения. В остальных случаях вылет панельных антенн не окажет существенного влияния на увеличение ветровой нагрузки.