هندسة الرياح

هندسة الرياح فرع من فروع الهندسة الميكانيكية ، والهندسة الإنشائية ، والأرصاد الجوية ، والفيزياء التطبيقية ، تُعنى بتحليل تأثيرات الرياح على البيئة الطبيعية والمبنية، ودراسة الأضرار والمتاعب والفوائد المحتملة الناجمة عنها. في مجال الهندسة، تشمل هذه الهندسة الرياح القوية التي قد تُسبب إزعاجًا، بالإضافة إلى الرياح العاتية، كالأعاصير والزوابع والعواصف الشديدة ، التي قد تُسبب دمارًا واسع النطاق. وفي مجالي طاقة الرياح وتلوث الهواء ، تشمل أيضًا الرياح الخفيفة والمتوسطة، نظرًا لأهميتها في إنتاج الكهرباء وتشتيت الملوثات.

تعتمد هندسة الرياح على علم الأرصاد الجوية ، وديناميكا الموائع ، والميكانيكا ، ونظم المعلومات الجغرافية ، وعدد من التخصصات الهندسية المتخصصة، بما في ذلك الديناميكا الهوائية وديناميكا الهياكل . ^{[ 1 ]} وتشمل الأدوات المستخدمة نماذج الغلاف الجوي ، وأنفاق الرياح في طبقة الحدود الجوية ، ونماذج ديناميكا الموائع الحسابية .

تتضمن هندسة الرياح، من بين مواضيع أخرى، ما يلي:

• تأثير الرياح على المنشآت (المباني والجسور والأبراج)
• راحة الرياح بالقرب من المباني
• تأثير الرياح على نظام التهوية في المبنى
• مناخ الرياح من أجل طاقة الرياح
• تلوث الهواء بالقرب من المباني

قد يعتبر مهندسو الإنشاءات أن هندسة الرياح مرتبطة ارتباطًا وثيقًا بهندسة الزلازل والحماية من الانفجارات .

تشتهر بعض الملاعب الرياضية مثل ملعب كاندلستيك بارك وملعب آرثر آش برياحها القوية، والتي تكون أحيانًا دوامية، مما يؤثر على ظروف اللعب.

يمكن تتبع هندسة الرياح كتخصص مستقل إلى المملكة المتحدة في ستينيات القرن الماضي، عندما عُقدت اجتماعات غير رسمية في المختبر الفيزيائي الوطني ، ومؤسسة أبحاث البناء، وغيرها. وقد صِيغ مصطلح "هندسة الرياح" لأول مرة عام 1970. ^{[ 2 ]} كان آلان غارنيت دافنبورت أحد أبرز المساهمين في تطوير هندسة الرياح. ^{[ 3 ]} وهو معروف بتطويره لسلسلة أحمال الرياح الخاصة بآلان دافنبورت، أو باختصار "سلسلة أحمال الرياح"، التي تصف كيفية مساهمة المكونات المختلفة في الحمل النهائي المحسوب على المنشأة. ^{[ 4 ]}

يجب أن يراعي تصميم المباني أحمال الرياح، والتي تتأثر بقص الرياح . ولأغراض هندسية، يمكن تعريف منحنى سرعة الرياح وفقًا لقانون القوة على النحو التالي: ^{[ 5 ] [ 6 ]}

${\displaystyle \ v_{z}=v_{g}\cdot \left({\frac {z}{z_{g}}}\right)^{\frac {1}{\alpha }},0<z<z_{g}}$

أين:

${\displaystyle \ v_{z}}$= سرعة الرياح على ارتفاع${\displaystyle \ z}$

${\displaystyle \ v_{g}}$= رياح متدرجة عند ارتفاع التدرج${\displaystyle \ z_{g}}$

${\displaystyle \ \alpha }$= معامل أسي

عادةً ما تُصمَّم المباني لمقاومة رياح قوية ذات فترة تكرار طويلة جدًا، كأن تكون 50 عامًا أو أكثر. تُحدَّد سرعة الرياح التصميمية من السجلات التاريخية باستخدام نظرية القيم القصوى للتنبؤ بسرعات الرياح القصوى المستقبلية. تُحسب سرعات الرياح عمومًا بناءً على معيار أو معايير تصميم إقليمية. تشمل معايير تصميم أحمال الرياح للمباني ما يلي:

• المعيار الأسترالي AS 1170.2 لأستراليا
• المعيار الأوروبي EN 1991-1-4 لأوروبا
• إن بي سي كندا

أدى ظهور الأبراج السكنية الشاهقة إلى مخاوف بشأن الإزعاج الناتج عن الرياح التي تسببها هذه المباني للمشاة في محيطها.

تم تطوير عدد من معايير الراحة من الرياح ومخاطر الرياح منذ عام 1971، استنادًا إلى أنشطة المشاة المختلفة، مثل: ^{[ 7 ]}

• الجلوس لفترة طويلة من الزمن
• الجلوس لفترة قصيرة من الزمن
• متنقل
• المشي السريع

وصنفت معايير أخرى بيئة الرياح على أنها غير مقبولة أو خطيرة تماماً.

تتميز الأشكال الهندسية للمباني المكونة من مبنى مستطيل واحد أو مبنيين مستطيلين بعدد من التأثيرات المعروفة: ^{[ 8 ] [ 9 ]}

• تيارات الزاوية، والمعروفة أيضًا باسم تيارات الزاوية، حول زوايا المباني
• التدفق العابر، المعروف أيضًا باسم تيار المرور، يحدث في أي ممر عبر مبنى أو فجوة صغيرة بين مبنيين بسبب قصر الدائرة الناتج عن الضغط
• تساقط الدوامات في أعقاب المباني

بالنسبة للهياكل الهندسية الأكثر تعقيدًا، يلزم إجراء دراسات حول راحة المشاة في مواجهة الرياح. ويمكن لهذه الدراسات استخدام نموذج مُقاس بشكل مناسب في نفق رياح ذي طبقة حدية ، أو، كما ازداد مؤخرًا، استخدام تقنيات ديناميكا الموائع الحسابية . ^{[ 10 ]} تُحسب سرعات الرياح على مستوى المشاة لاحتمالية تجاوز معينة، وذلك للسماح بجمع إحصاءات سرعات الرياح الإقليمية. ^{[ 11 ]}

يختلف ملف تعريف الرياح الرأسي المستخدم في هذه الدراسات وفقًا للتضاريس في محيط المباني (والتي قد تختلف باختلاف اتجاه الرياح)، وغالبًا ما يتم تجميعها في فئات، مثل: ^{[ 12 ]}

• أرض مفتوحة مكشوفة مع وجود عوائق قليلة أو معدومة ومسطحات مائية بسرعات رياح مناسبة للاستخدام
• أسطح مائية، وأرض مفتوحة، وأراضٍ عشبية ذات عوائق قليلة ومتناثرة جيدًا، يتراوح ارتفاعها عمومًا من 1.5 إلى 10 أمتار.
• تضاريس ذات عوائق عديدة متقاربة يتراوح ارتفاعها بين 3 و 5 أمتار، مثل مناطق الإسكان في الضواحي
• تضاريس ذات عوائق كبيرة وعالية (من 10 إلى 30 مترًا) ومتقاربة، مثل مراكز المدن الكبيرة والمجمعات الصناعية المتطورة.

تتأثر توربينات الرياح بقص الرياح. ينتج عن توزيعات سرعة الرياح الرأسية اختلاف في سرعة الرياح عند الشفرات الأقرب إلى سطح الأرض مقارنةً بتلك الموجودة في أعلى مسار الشفرات، وهذا بدوره يؤثر على تشغيل التوربين. ^{[ 13 ]} يمكن أن يُحدث تدرج سرعة الرياح عزم انحناء كبيرًا في عمود التوربين ثنائي الشفرات عندما تكون الشفرات رأسية. ^{[ 14 ]} انخفاض تدرج سرعة الرياح فوق الماء يعني إمكانية استخدام أبراج توربينات رياح أقصر وأقل تكلفة في البحار الضحلة. ^{[ 15 ]}

في هندسة توربينات الرياح ، غالبًا ما يتم تقريب تغير سرعة الرياح مع الارتفاع باستخدام قانون القوة: ^{[ 13 ]}

${\displaystyle \ v_{w}(h)=v_{ref}\cdot \left({\frac {h}{h_{ref}}}\right)^{a}}$

أين:

${\displaystyle \ v_{w}(h)}$= سرعة الرياح على ارتفاع${\displaystyle h}$[آنسة]

${\displaystyle \ v_{ref}}$= سرعة الرياح عند ارتفاع مرجعي معين${\displaystyle h_{ref}}$[آنسة]

${\displaystyle \ a}$= معامل هيلمان ( المعروف أيضًا باسم معامل قانون القوة أو معامل القص) (~= 1/7 في التدفق المحايد، ولكن يمكن أن يكون >1)

تُستخدم معارف هندسة الرياح في تحليل وتصميم جميع المباني الشاهقة ، والجسور المعلقة بالكابلات ، والجسور ذات الكابلات الثابتة ، وأبراج نقل الكهرباء، وأبراج الاتصالات ، وجميع أنواع الأبراج والمداخن الأخرى. يُعدّ حمل الرياح الحملَ المهيمن في تحليل العديد من المباني الشاهقة، لذا فإن هندسة الرياح ضرورية لتحليلها وتصميمها. كما يُعدّ حمل الرياح حملاً مهيمناً في تحليل وتصميم جميع الجسور ذات الكابلات ذات الامتدادات الطويلة .

• هندسة الأعاصير
• جون تويدل
• التحكم في الاهتزاز
• اختبار نفق الرياح
• الرابطة العالمية لطاقة الرياح
• ممتص للصدمات
• آلان جي. دافنبورت

• بلوكن، بيرت (2014). "خمسون عامًا من هندسة الرياح الحاسوبية: الماضي والحاضر والمستقبل" . مجلة هندسة الرياح والديناميكا الهوائية الصناعية . 129 : 69-102 . Bibcode : 2014JWEIA.129...69B . doi : 10.1016/j.jweia.2014.03.008 .
• بيكر، سي جيه (2007). "هندسة الرياح - الماضي والحاضر والمستقبل" . مجلة هندسة الرياح والديناميكا الهوائية الصناعية . 95 ( 9-11 ): 843-870 . Bibcode : 2007JWEIA..95..843B . doi : 10.1016/j.jweia.2007.01.011 .

• "كيف تتغلب المباني الشاهقة على الرياح" . موقع B1M . ١٢ سبتمبر ٢٠١٨. مؤرشف من الأصل بتاريخ ١٥ ديسمبر ٢٠٢١ - عبر يوتيوب .