3655

Знание закономерностей циркуляции воздушных потоков с учетом взаимовлияния приточных струй и тепловых потоков необходимо для рациональной организации воздухообмена в помещении путем управления этими потоками [1].

При определенных сочетаниях начальных параметров приточных струй и конвективных потоков возможен вариант, когда энергия приточных струй, выпускаемых сверху, недостаточна для преодоления энергии встречных конвективных потоков и поступления в рабочую зону помещения. В этом случае в рабочей зоне будет создаваться и сохраняться слой нагретого воздуха, особенно устойчивый при удалении воздуха из нижней зоны помещения.

В настоящей статье приведены результаты моделирования на гидравлическом стенде (рис.1) взаимодействия плоской приточной струи и конвективного потока от линейного источника, направленных навстречу друг другу.

Рис. 1 Схема гидравлического стенда

Выходное сечение приточного плоского насадка (3) имело размеры 2Ах2В = 0.208х0.001м. В качестве линейного конвективного источника (4) применялась керамическая трубка диаметром 0.004 м и длиной 0.2 м, на которую была намотана нихромовая нить диаметром 0.0004 м. Мощность теплового источника менялась в пределах 0.06 1.46 кВт.

В процессе моделирования менялись начальные импульсы струй, расстояние между приточным насадком и источником. Для визуализации процесса взаимодействия к поверхности конвективного источника подводился красящий раствор, что позволяло оценить циркуляцию потоков в модели. «Картины» взаимодействия фотографировались и зарисовывались.

При моделировании расстояние между линейным источником и приточной струей изменялось в пределах от 0.1 до 0.2 м. Для определения «места встречи» взаимодействующих струй и конвективного потока, отсчитываемого от поверхности источника, на передней стенке была закреплена рамка с сеткой, имеющей деления с шагом, равным 0.01м.

Экспериментальный стенд состоял из гидравлической модели помещения (1) размерами 0,4 0.22 0.3 м, систем подачи и регулирования уровня жидкости (2), питания и регулирования мощности линейного конвективного источника (5).

На рис. 2 представлена одна из серий экспериментального изучения процессов взаимодействия при фиксированном расстоянии между струей и источником, постоянной скорости истечения из приточного насадка и переменной мощности линейного источника.

52

В данной серии экспериментов расстояние между источником и струей составляло 0.2 м, скорость приточной струи 0.105 м/с, мощность источника 100, 360, 820, 14600 Вт.

Рис. 2 Процесс взаимодействия плоской приточной струи (верхней) и линейного конвективного потока (нижнего)

Теоретически «место встречи» в процессе взаимодействия приточной струи и конвективного линейного источника определялось из соотношения:

(1)

Подставляя значение скорости движения воздуха на оси плоской струи Uz и скорости конвективного потока над линейным источником wz согласно зависимостям, принятым по работе [2], интегрируя (1), получим:

координата «места встречи», отсчитанная от поверхности линейного источника, м; 2B – ширина приточного отверстия, м; с = 0,082 – экспериментальная

постоянная.

На рис.3 представлено сравнение опытных данных с кривой, построенной по зависимости (2).

Рис. 3 Сравнение значений ординаты «места встречи», полученных экспериментально и по зависимости (2)

Удовлетворительное совпадение данных наблюдается в области развитого конвективного потока приОтносительная погрешность

< 5%.

53

Анализ фотографий и зарисовок процесса взаимодействия выявил три характерных схемы циркуляции потоков в модели в зависимости от величины импульсов взаимодействующих струй и конвективного источника.

Аналогичные результаты получены в работе [3] при исследовании встречного движения осесимметричных струй и потока от круглого конвективного источника на воздушной модели.

Результаты исследования взаимодействия конвективных источников и приточных струй при встречном течении позволят обоснованно определять воздухообмен и управлять схемой циркуляции воздуха в помещении.

Исследование процессов взаимодействия двух встречных плоских полуограниченных струй проводилось на гидравлическом стенде, схема которого представлена на рис. 4

Стенд включал в себя: гидравлический лоток (1) с зеркалом воды размерами 2,2 1,6 м; приточные насадки (2) с размерами выходного сечения 0,03 0,001 м; систему подачи (3) и слива (4) воды; ротаметры РС-5 (5) для замера расходов воды, поступающей через насадки; пластину (6), имитирующую поверхность, на которую настилаются приточные струи. Расстояние между плоскостями приточных насадков в процессе исследования составляло 0,5 и 0,6м и было выбрано из условий оптимального кадрирования при фотографировании картины взаимодействия.

Метод визуализации в данном случае заключается в том, что в струи в плоскости приточных отверстий вводились «метки» диаметром 0,001м, которые перемещались при распространении струй и делали процесс видимым. При фотографировании были получены качественные картины процесса взаимодействия. Методика количественных оценок при визуализации различных процессов в гидролотке с помощью «меток» приведена в работе [4].

Рис. 4 Схема экспериментального стенда

При фотосъемке процессов струйных течений (визуализация с помощью «меток») на фотоснимках прослеживаются направления течения по траекториям меток.

В процессе экспериментов изменялось соотношение импульсов струй таким образом, чтобы был охвачен весь возможный диапазон оценки «места встречи» и направления результирующей струи.

Картины взаимодействия встречных плоских полуограниченных струй, полученных на гидравлическом стенде, показаны на рис.5. На фотографиях представлены три наиболее характерных случая: .

На рис.5 приведены также качественные картины взаимодействия плоских полуограниченных струй при условии ограничения их с боковых сторон (имитация краевого эффекта стен). Качественная картина в этом случае, при условии (или ) характерна наличием эффекта «налипания» результирующей струи на стену и образования зоны циркуляции.

54

Установлено, что «место встречи» двух встречных плоских полуограниченных струй, а следовательно, и направление результирующей струи зависят от соотношения импульсов взаимодействующих струй [5]. Соотношение импульсов в случае истечения из одинаковых насадков может быть заменено соотношением начальных скоростейгде - скорость истечения соответственно из первого (левого) и второго (правого) насадков.

Расстояние между насадками обозначим через а. Координату «места встречи» струй, отсчитанную от среза первого насадка, обозначим через .

На рис.6 представлено сравнение экспериментальных и теоретических значений координаты «места встречи» ( ) в зависимости от соотношения начальных скоростей взаимодействующих струй (λ).

Рис. 5. Фотографии визуализации процесса взаимодействия встречных плоских полуограниченных струй различного импульса

На рис.7 представлено сопоставление теоретических и опытных результатов по определению угла отклонения результирующей струи от плоскости взаимодействия двух встречных плоских полуограниченных струй.

Количественная оценка процесса взаимодействия проводилась аналогично работе [4]. Обработка результатов исследования показала удовлетворительное совпадение экспериментальных и аналитических зависимостей.

Исследование процессов взаимодействия встречных симметричных струй проводилось на специальном аэродинамическом стенде.

Схема стенда представлена на рис.8. Она включает в себя радиальные вентиляторы Ц 4-70 № 3.2 (1); шиберы (2) для регулирования расходов приточного воздуха; камеры статического давления (3), в которых установлены два ряда выравнивающих сеток; профилированные приточные сопла (4) диметром 0.02 м.

55

Рис. 6. Относительная координата «места встречи» двух встречных плоских полуограниченных струй

Рис. 7. Угол направления результирующей струи после взаимодействия двух встречных плоских полуограниченных струй

Для визуализации при помощи дыма процесса взаимодействия струй между центрами приточных сопел была натянута нихромовая нить диаметром 0,004 м (5), на поверхность которой наносился слой машинного масла, а к ее концам подводилось напряжение, регулируемое при помощи автотрансформатора (6). При нагревании проволоки масло начинало гореть и интенсивно дымить. Под действием воздушных струй, вытекающих одновременно из приточных сопел, дым сдувался к «месту встречи» и растекался в направлении движения результирующей струи.

Рис. 8. Схема экспериментального стенда

В процессе исследования рассматривались характерные случаи: - импульсы приточных струй равны: - импульсы неодинаковы : или .

Визуализацияпроцессоввзаимодействияосесимметричных струй осуществлялась также при помощи нитей. Две тончайшие нити из искусственного волокна, длина которых составляла 1,2 м (при расстоянии между приточными соплами 2 м) закреплялись одним концом в центре

56

сопел. Витая в воздушных потоках, создаваемых встречными струями, нити показывали траектории струй. А свободные концы нитей - направление результирующей струе. По характеру изгиба нитей можно судить о «месте встречи» струй. При закреплении между центрами приточных сопел одной нити, длина которой в 1,5 раза превышала расстояние между соплами, прогиб нити в направлении результирующей струи показывал «место встречи».

Качественные картины взаимодействия струй, полученные на стенде, представлены на рис.9,10.

Количественная оценка процессов взаимодействия, измерение величин и направление вектора скорости в трехмерном воздушном потоке осуществлялись при помощи 5-ти канального шарового зонда. Конструкция зонда и методика работы с ним изложена в работе [6]. Так как при исследовании взаимодействия применялись круглые сопла, то и струйные течения были осесимметричными. Поэтому при определении направления и величины скорости во взаимодействующих струях достаточно было проводить измерения в одной из плоскостей, проходящих через ось взаимодействия. Перемещение шарового зонда осуществлялось в двух взаимно перпендикулярных направлениях с шагом в 1мм с помощью координатника.

Рис.9. Фотографии визуализации взаимодействия струй с помощью нитей

Рис.10. Фотографии визуализации взаимодействия струй задымлением

Положение «места встречи» предварительно оценивалось теоретически, а затем исследовалась вся зона возможного расположения «места встречи» с построением профиля скоростей взаимодействующих струй. На рис.11 приведен один из примеров построения профилей скоростей двух взаимодействующих струй.

Если при рассмотрении рис.11 объединить точки, в которых направление мгновенных скоростей в эпюрах меняются на противоположные, то полученный контур можно представить как «ядро» (факел) 1-ой струи, а вторая из взаимодействующих струй как бы

57

обтекает первую (накрывает пеленой), рис.12. При этом на «границах контура» первой струи происходит обмен воздушных масс с результирующей струей.

Рис. 11. Поле скоростей при взаимодействии двух встречных осесимметричных струй

Рис.12. Характер формирования линий тока во встречных струях

Установлено, что «место встречи» двух встречных соосных струй и направление результирующей струи зависят от соотношения импульсов взаимодействующих струй [5]. Соотношение импульсов λ в случае истечения из одинаковых насадков может быть заменено соотношением начальных скоростей , где скорость истечения

соответственно из первого (левого) и второго (правого) насадков.

Расстояние между насадками обозначим через а. Координату «места встречи» струй, отсчитанную от среза первого насадка, обозначим через .

На рис.13 представлено сравнение экспериментальных и теоретических значений

Рис. 13. Относительная координата «места встречи» двух вcтречных соосных осесимметричных струй

Направление результирующей струи определяется углом отклонения результирующей струи от общей оси взаимодействия направленных навстречу друг другу струй. При истечении из насадков, имеющих одинаковые геометрические и аэродинамические

58

1.Гримитлин, М.И. Распределение воздуха в помещениях / М.И. Гримитлин – СПб.: Изд-во НПП «Экоюрос – Венто», 1994. – 316 с.

2.Шепелев, И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении / И.А. Шепелев – М.: Стройиздат, 1978. – 144 с.

3.Позин, Г.М. Соотношение энергий взаимодействующих приточных и конвективных струй как характеристика схем циркуляции воздуха в помещении / Г.М. Позин, В.И. Буянов

–М.: ВНИИОТ ВЦСПС, 1989. с 36 – 39.

4.Поляков, В.В. Исследования газообразных веществ в зоне аэродинамического следа здания / В.В. Поляков – М.: 1971.

5.Шершнев, В.Н. Взаимодействие воздушных струй, направленных навстречу друг другу. Новое в воздухораспределении / В.Н. Шершнев, Е.М. Черных, Н.А. Гельман – М.:

МДНТП, 1983. с 16 – 21.

6.Повх, И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении / И.Л. Повх – Л.: Машиностроение, 1983. с 16 – 21.

The bibliographic list

1.Grimitlin, M.I. The air distribution in apartments /M/I/ Grimitlin – Spg.: Publishing house NPP ‘Ekoeuros-Vento’, 1994.-316p.

2.Shepelev, I.A.The aerodynamics og air streams in apartments/ I.A. Shepelev – M.: Stroizdat, 1978.-144p.

3.Pozin, G.M. The ratio of energy of interactive inlet and convective streams as the description of air circulation schemes in apartments/ G.M. Pozin, V.I. Buyanov – M.: VNIOT VCSPS. 1989.-S. 36-39.

4.Polyakov, V.V. The research of gaseous matters in aerodynamic track of building zone/ V.V. Polyakov – M.: 1971

5.Shershnev, V.N. The interaction of air-blasts that direct towards each otheкю New in air distribution/ V.N. Shershnev, E.M. Chernyh, N.A. Guelmann – M.:MNDTP, 1983. S. 16-21.

6.Povkh, I.L. The aerodynamic experiment in mechanical engineering/ I.L. Povkh – L.: Mechanical engineering, 1983.S. 16-21

Ключевые cлова: экспериментальный стенд, струнные течения, взаимодействие, результаты исследования.

Key words: experimental test bench, air-blasts, interaction, results of modeling

59

охлаждающей среды выступает холодный воздух, поступающий в противотоке к греющему носителю вдоль внешней поверхности элемента.

Основными параметрами, характеризующими процесс теплообмена являются следующие: температура паровоздушной смеси и нагреваемой сред Т1, Т2 соответственно; температура стенки, омываемая греющей и нагреваемой средой, температура насыщения нагретого пара ТС1, ТС2, ТН соответственно; удельная теплоёмкость, нагреваемой среды и стеклянной стенки С1, С2, СС1 соответственно; расход паровоздушной смеси и нагреваемой сред G1, G2 соответственно; масса паровоздушной смеси, нагреваемой среды и стеклянной стенки m1, m2, mc1 соответственно; коэффициент теплоотдачи от поверхности стеклянной стенки омываемой паровоздушной смесью и нагреваемой средой α1, α2 соответственно; площадь теплоотдающей поверхности, омываемой паровоздушной смесью и нагреваемой средой f1, f2 соответственно (рис. 1); τ, ℓ - длина теплообменного элемента стеклоблочного теплообменника в рассматриваемом сечении ℓ - максимальная длина теплообменного элемента, τ – время.

Отметим, что параметры с индексом 1 соответствуют греющей среде, а с индексом 2 – нагреваемой среде.

Рис. 1. Схема теплообменного элемента стеклоблочного нагревателя

Рассмотрим условие теплого баланса в многосредном теплообменном элементе с помощью системы дифференциальных уравнений в частных производных [1].

Важно отметить, что процесс теплообмена осуществляется за счёт распространения теплового потока Q по нормали к поверхности теплообменника (стенки) от оси греющего канала к оси нагреваемого канала

где Qконд – теплота фазового перехода пара в жидкость; λж – коэффициент теплопроводности конденсата на боковой стенке теплообменника, Вт/(м·К); δж – толщина плёнки конденсата на поверхности боковой вертикальной стенки теплообменника, м; ТН – температура насыщенного пара на поверхности плёнки конденсата, К.

Начальные условия по температурам для всех каналов стенки при τ = 0, Т1 = Т10, Т2 =

Т20.

61