Содержание к диссертации
Введение
I. Состояние вопроса и задачи, поставленные в диссертации 12
1.1. Распределение воздуха в помещении 12
1.2. Экспериментальное исследование изотермических турбулентных струй в ограниченном пространстве 26
1.3. Структура изотермической турбулентной струи 31
1.4. Теоретические исследования изотермической ограниченной струи 37
1.4.1. Метод Крайя - Курте 37
1.4.2. Метод Абрамовича 40
1.4.3. Метод Шепелева - Тарнопольского 43
1.4.4. Расчет изотермических ограниченных струй с использованием двухпараметри-
ческой модели турбулентности 44
1.4.5. Метод Хилла 46
1.4.6. Другие методы расчета 46
1.4.7. Выводы 48
1.5. Теоретические и экспериментальные исследования неизотермических струй в ограниченном пространстве 50
1.5.1. Анализ некоторых экспериментальных результатов 51
1.5.2. Теоретические исследования 52
1.5.3. Выводы 56
1.6. Исследование различных способов воздухорас-пределения и классификация воздухораспределителей 57
1.7. Основные выводы 59
1.8. Задачи, поставленные в диссертации 61
2. Расчет изотермических ограниченных струи 63
2.1. Физическая модель изотермической ограниченной струи 63
2.2. Математическая модель изотермической ограниченной струи 65
2.3. Решение системы уравнений (2.36) 74
2.4. Расчет участка разворота или перехода к канальному течению 82
2.5. Допущения 88
2.6. Выводы 89
3. Расчет неизотермических 0граниченных струи 90
3.1. Физическая модель неизотермической ограниченной струи 90
3.2. Математическая модель неизотермической ограниченной струи 94
3.3. Интегрирование уравнений 100
3.4. Пример расчета плоской настилающейся неизотермической струи в ограниченном пространстве 103
3.5. Допущения и заключение 106
4. Сравнение теоретических данных с экспериментальными . 107
4.1. Моделирование струйных течений в ограниченном пространстве 107
4.2. Экспериментальные исследования 109
4.2.1. Описание модели 109
4.2.2. Измерение профиля скоростей 114
4.2.3. Измерение распределения скоростей по оси струи 115
4.2.4. Явления отрыва в спутных ограниченных струях 129
4.3. Поля скоростей и температур в неизотермических ограниченных струях 130
4.4. Заключение 134
5. Составление методики расчета воздухораспределения плоскими настилающимися струями при тупиковой схеме подачи 135
5.1. Составление методики расчета 135
5.2. Порядок расчета воздухораспределения 141
5.2.1. Решение задачи I 141
5.2.2. Решение задачи 2 141
5.2.3. Решение задачи 3 145
5.3. Примеры расчета 148
5.4. Сопловые воздухораспределительные устройства 150
5.5. Экономическая эффективность внедрение методики расчета 152
5.6. Пример проектирования воздухораспределения швейного цеха 156
Заключение 161
Литература
- Экспериментальное исследование изотермических турбулентных струй в ограниченном пространстве
- Математическая модель изотермической ограниченной струи
- Математическая модель неизотермической ограниченной струи
- Измерение распределения скоростей по оси струи
Введение к работе
Актуальность темы. В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I - 1985 годы и на период до 1990 года" указано на необходимость "осуществить глубокие преобразова-ния в важнейшей сфере деятельности людей - в труде, улучшить и облегчить его условия, обеспечить широкие возможности высокопроизводительной и творческой работы...", и далее - "последовательно улучшать жилищные условия советских людей, повысить комфортность жилищ...". Намеченные партией задачи, являются претворением в жизнь Конституции СССР /I/. В статье 42, в частности, отмечается, что охрана здоровья обеспечивается не только медицинскими меро-приятшши, но и мерами по оздоровлению окружающей среды. В связи с этим в нашей стране большое внимание уделяется вопросам повышения эффективности работы систем вентиляции и кондиционирования воздуха (кв).
На устройство систем вентиляции и KB ежегодно расходуется сотни миллионов рублей /71/. Такие затраты требуют, чтобы запроектированные системы обеспечивали требуемые параметры воздуха в рабочей зоне при минимальных приведенных затратах (были оптималь-ныш).
В настоящее время отсутствуют методики сравнения вариантов систем вентиляции по санитарно-гигиеническому эффекту на стадии проектирования /168/. Это приводит к тому, что в натуре иногда невозможно получить требуемый санитарно-гигиенический эффект. Основная причина этого - отсутствие инженерного метода расчета температурных и скоростных полей, а также полей концентраций пыли, газов и других вредностей в вентилируемом помещении. Г.А.Максимов отмечает, что "в настоящее время усилия научно-исследовательских и проектных организаций направлены на разработку методов расчета
- 10 температур, скоростей движения воздуха и концентраций вредных веществ в любой точке вентилируемого пространства VlII/»
Цель работы - разработка инженерного метода расчета воздухо-распределения плоскими и компактными симметричными и настилающимися струями, в основе которого лежит расчет температурных и скоростных полей в вентилируемом помещении.
Научная новизна заключается: в разработке модифицированных физической и математической моделей течения изотермических и неизотермических струй в ограниченном пространстве при условии вынужденной конвекции; в создании методики расчета систем воздухораспределения; в экспериментальных исследованиях плоских настилающихся струй в тупиках различной глубины.
Практическая ценность состоит в создании методики поверочного и конструктивного расчета систем воздухораспределения плоскими настилающимися тупиковыми струями.
Реализация работы.Методика расчета воздухораспределения внедрена в практику проектирования ряда проектных институтов Минска и Вильнюса.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на конференциях молодых ученых и специалистов в Москве, Минске, Каунасе и Риге; на всесоюзном семинаре "Повышение качества и эффективности вентиляции на предприятиях стройиндустрии", г. Пенза, 1982 г.; на семинаре лаборатории отопления и вентиляции ЩИИПромзданий, г. Москва, 1982 г; на конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института, г. Минск, 1980 - 1982 г.; на всесоюзном совещании "Использование газа в народном хозяйстве", г. Каунас, 1983 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в - II печатных работах (в соавторстве с А.Т.Сычевым):
I. Расчет возду-хораспределения в помещениях с тепловыделениями,- Б сб.: Обеспыливание воздуха и микроклимат. Ростов-на-Дону, РИСИ, 1980, с. 60 65.
2. Метод расчета стесненных струй.- Изв. АН БССР, сер. физ-энерг. наук, I98I, $ I, с. 34 - 38.
3. О возможности оценки систем воздухораспределения на стадии проектирования.- В кн.: Техника, технология, организация и экономика строительства. Строительная теплофизика, теплоснабжение и вентиляция, I98I, в. 7, с. II3-ІІ6.
4. Расчет воздухораспределения плоскими струями при тупиковой схеме подачи воздуха.- В сб.: Обеспыливание воздуха и микроклимат. Ростов-на-Дону, РИСИ, I98I, с. 27-36.
5. О необходимости расчета температурных и скоростных полей для оценки систем воздухораспределения.- В сб.: Управление микроклиматом в обогреваемых зданиях. Тезисы докладов. Челябинск, I98I, с. 102-103.
6. Расчет воздухораспределения плоскими настилающимися струями.-В сб.: Повышение качества и эффективности вентиляции на предприятиях стройиндустрии. Тезисы докладов. Пенза, 1982, с. 31.
7. Расчет неизотермических струйных течений в ограниченном пространстве.- В сб.: Тезисы докладов Всесоюзного совещания "Использование природного газа в народном хозяйстве". Вильнюс, 1983, с. 125-126.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, содержащих 59 иллюстраций и 7 таблиц, заключения, списка использованной литературы, включающего 240 наименований работ отечественных и зарубежных авторов, 2 приложений.
Экспериментальное исследование изотермических турбулентных струй в ограниченном пространстве
В работе Х.Страуба /232/ проведено сравнение различных систем воздухораспределения в режиме с переменным количеством приточного воздуха использованием критерия К0?0 . Аналогичные исследования были проведены в Канзаском университете /216/. В этих работах приведены графики, по которым можно вести расчеты воздухораспределения с учетом заданного значения ADPO . Л.В.Павлухин и В.Н.Тетеревников /126,161/ предложили оценивать совокупное воздействие температуры и скорости воздуха по графикам, на которых отмечены оптимальные и допустимые значения этих параметров. Оптимальные и допустимые сочетания температур зависят в этих исследованиях не только от вида выполняемых работ, но и от способа подачи воздуха.
Для оценки состояния воздушной среды как по методике Павлухи-на-Тетеревникова, так и по стандарту KSYAfckE55-66 следует знать распределение параметров воздуха по всей площади рабочей зоны, либо вдоль плоскости средней линии помещения, так называемой " вРЗ вдоль центральной линии" /218/. Если в натурных условиях такие замеры можно выполнить, то определить температурные и скоростные поля теоретическим путем довольно сложная задача. Решение такой задачи возможно на основе теоретического расчета неизотермической ограниченной струи.
В связи с необходимостью постоянного повышения производительности труда, проблема влияния на нее окружающей среды стала особенно актуальной. Чаще всего изучают влияние температуры рабочей зоны на производительность труда. Такие данные имеются в работах /89,94,113,127/, их можно использовать при оценке экономической эффективности систем воздухораспределения на стадии проектирова-ния.
На производительность труда влияют и другие параметры воздуха рабочей зоны. В работе /121/ изучалось влияние запыленности воздуха в цехах льнокомбинатов на производительность труда, оказалось, что достижение в цехе нормируемой запыленности Г2-4 мг/м3) приводит к снижению потерь времени по нетрудоспособности на 37 . По данным НИШОТСТРОМа /25/ в цехах с пылевыделениями (производство строительных материалов) достижение комфортных условий приводит к росту производительности труда на 2 %.
Введение утвержденных нормативов роста производительности труда при изменении параметров воздуха в рабочей зоне позволит изменить подход ко всей вентиляционной технике.
Экспериментальное исследование изотермических турбулентных струй в ограниченном пространстве Исследование ограниченной круглой струи, истекающей в тупик, впервые выполнено В.Н.Розенбергом в I934-I936 г.г. /108/. Он ус тановил, что дальнобойность симметричной струи составляет 3-4 ди аметра канала. Детальное исследование скоростных полей тупиковых струй проведено Н.Н.Садовской /145/. В.Н.Трояновский обобщил эти опыты с привлечением симплекса , где - площадь по перечного сечения помещения /153/. Наиболее полными и хорошо пос тавленными являются эксперименты В.А.Бахарева и В.Н.Трояновского /18/. В них были измерены: скорость по оси струи, статическое дав ление по оси и стенкам канала, расход активной и обратной струИ.
Все полученные значения обработаны и представлены в виде функций от симплекса М.Ньюби и М.Тринг предложили свой крите рий для спутных струй, который обобщает симплекс Бахарева и Трояновского /224/ Q= Lo+LioJL , (1.28) где R - радиус канала ; L ю - расход спутного потока в сечении ос = О ; L-o - расход струи, вытекающей из приточного насадка. Для тупиковой струи критерий Ныоби-Тринга равен нулю, а для проточной переходит в симплекс R/Ro, который соответствует симплексу
Исследуя плоскую струю, поданную симметрично по оси канала, Р.Курте обнаружил три режима течения /100/ (рис. 1.6 ) : режим симметричного течения (рис. 1.6а); режим течения с вихрями (рис. 1.66 ; режим колеблющейся струи (рис. 1.6в .
Математическая модель изотермической ограниченной струи
Физическая модель изотермической ограниченной струи Ограниченную струю на начальном и основном участках можно представить как струю во внешнем потенциальном потоке Грис. 1.8). На границе струи из-за ее потенциальной неустойчивости образуются крупномасштабные вихревые моли Гсм. 1.з). Под границей струи обычно понимают поверхность раздела струйной и внешней потенциальной областей течения. В свободных струях увеличение размеров вихрей происходит по линейному закону, что приводит к прямолинейности границ. В ограниченных струях непрямолинейность граничной поверхности усложняет модель течения.
Рассмотрим движение вихря в струе. Обозначим скорость перемещения вихря в продольном направлении - LU (скорость конвекцииj, а в поперечном - 0"ь рис. 2.1). Запишем тангенс утла раскрытия струи
Отклонение вихря от положения, соответствующего уравнению (2.5), может произойти либо при наличии градиента статического давления поперек струи, либо выталкивающей силы в неизотермическом потоке, либо сил иной природы (электрической, магнитной и т.д.).
В зоне перехода к канальному течению отсутствуют крупномасштабные вихри, которые либо повернуты обратным потоком (tU О) , либо при бб R (где б б - ордината положения оси вихря) распались на мелкие вихри при взаимодействии со стенкой канала. Такое представление дает обоснование идее фиктивного пограничного слоя вне трубы (см. 1.4.5). Так при 66 R , но 6 Я , мы наблюдаем развитие течения как струйного, т.к. имеется крупномасштабный вихрь в струе, но граница струи является фиктивной и лежит вне канала. На рис. 2.5 приведен график зависимости (2.64) при = 0,5, N =0,4 , t g A0= 0,2. Из анализа графика видно, что при некоторых значениях ЭС струя как бы останавливается и начинает расти только в ширину. Это происходит при сіб/dx = 0. Физически это означает, что крупномасштабные вихри останавливаются (UU = О) И сносятся внешним невозмущенным потоком. Абсциссу, при которой это происходит, обозначим Хстр , она является яонцом мтруйной йбласти течения. При р =0,5, ЭСстр = 3,12 R . За этой областью начинается участок разворота или перехода к канальному течению. II. j =1. +а0С = 6. (2.65) dS Уравнение (2.65) представляет собой линейное дифференциальное уравнение и, поэтому, его можно проинтегрировать в общем виде при граничном условии X = 8 = О. Общее решение этого уравнения имеет вид Как видно из табл. 2.1, при интересующих нас значениях 5 , величина формпараметра А близка к постоянной, что и было заложено в расчет (даже при 6 l).
Имеются экспериментальные данные, которые показывают, что профиль скоростей в зоне обратного течения неавтомоделен и не может быть сведен к равномерному. Однако в тех случаях, когда форма профиля не имеет существенного значения можно воспользоваться в целях упрощения уравнением (2.12).
1. Разработана модификация известных моделей расчета изотермических турбулентных струй в ограниченном пространстве. Физическая модель подобна общепринятой модели Крайя - Курте. Отличие состоит в том, что предлагаемая модель распространяется и на ограниченные струи с обратными токами. Математическая модель в дополнение к уравнениям движения и неразрывности содержит выражение, характеризующее угол раскрытия ограниченной струи.
2. На некотором расстоянии от приточного насадка большие вихри останавливаются и уносятся внешним обратным течением. Это расстояние соответствует дальнобойности приточных струй. Течение в "длинных" помещениях имеет зоны: струйного течения; разворота для тупиковых струй или перехода к канальному течению для проточных струй; вихрей для тупиковых струй или канального течения для проточных струй, йайдены координаты границ зон. Оказалось, что длина зоны разворота или перехода к канальному течению невелика и ею в практических инженерных расчетах можно пренебречь.
3. Предлагаемый метод расчета ограниченных неизотермических струй в отличие от метода, применяемого в "Рекомендациях..." /53/, позволяет при проектировании воздухораспределения рассчитывать распределение скоростей по всему помещению, учитывая при этом влияние на распределение скоростей длины помещения и положение вытяжных отверстий.
Математическая модель неизотермической ограниченной струи
Для моделирования струйных течений необходимо определить основные критерии подобия. Применение теории подобия к задачам вентиляции исследовано Е.В.Кудрявцевым /96 и др./. Обнаруженная мно-гопараметричность делает задачу моделирования вентиляции достаточно сложной. Так В.Муг /217/ выделил более десяти критериев, которые влияют на воздушные потоки в помещении. Роль же каждого критерия им не определена и критериального уравнения не получено.
В работе используются критерии, полученные при исследовании ограниченных струйных течений. При решении динамической задачи основным является критерий Ньюби - Тринга Важное значение имеют симплексы, которые характеризуют тип воздухораспределителя, степень стеснения струи и длину помещения соответственно: = = f \" (4.1) R==f ; R (4.2) г= = ! (4.3) где Є, длина помещения вдоль направления подачи воздуха. Симплекс "Ro изменяется от О до I. Этим крайним значениям соответствует течение свободной струи и канальное течение. При 6 Хстр наблюдается течение в "коротких" помещениях, а - 108 При Є, ОСстр - в "длинных". При исследовании неизотермических течений используют критерий Стэнтона /101/ St = - - » (4.4) CPU где -С - коэффициент теплоотдачи, V - характерная скорость. Критерий Стэнтона " является мерой отношения интенсивности тепло отдачи и удельного теплосодержания потока». При граничных условиях второго рода, учитывая, что «С-" - (4.5) где Й. - характерный размер, введем модифицированный критерий Стэнтона St - (4.Є) go» \ и где Т - характерная температура. Введем параметр, отражающий степень изменения температуры в зависимости от граничных условий, который обозначим V- 4 » _ (4.7) В неизотермических течениях подъемная сила, вызванная разностью плотностей, определяется критерием Архимеда /101/ дг. 9% .(SS.) . (4.8)
При проведении экспериментальных исследований важно установить связь между параметрами X и критериями подобия /161/
Проведение экспериментальных исследований турбулентных течений для отыскания функции вида (4.9) достаточно сложно. Поэтому в настоящей работе мы ограничимся "затравочным" экспериментом /170/, который позволит сравнить теоретически полученные результаты (см. раздел з) с экспериментальными данными.
Течение в "длинных" тупиках экспериментально изучено. Экспериментальные данные обладают свойством повторимости /156/. Поля скоростей в "коротких" тупиках Z\ осстр изучены недостаточно подробно и, поэтому сделать вывод о правомерности теоретической модели для "коротких" тупиков затруднительно. В работе проведены экспериментальные исследования по изучению скоростныхглолей в тупиках переменной глубины ( WR = 1,2,3 и 4,55).
Исследуемый параметр (u) представлен в виде функции U = l(Ro,e ) (4.Ю) Работа выполнялась в научно-исследовательском институте промышленности первичной обработки лубяных волокон НИИПОЛВ по теме № 208109 - 02 (инв. J& 662, утв. 28 июня 1982 г.).
Тупик состоит из канала с прямоугольным поперечным сечением 203 130 мм (рис.4.1). Воздух из помещения вентилятором I пода - no ется в камеру статического давления (форкамеру) 2, в которой при помощи хонейкомбов (детурбулизаторов ) 3 с размером ячеек 1,1 мм гасится крупномасштабная турбулентность, создаваемая вентилятором. В форкамере установлен штуцер для замера в ней статического давления. Щелевое сопло 4 имеет подвижную нижнюю грань 5. Перемещение грани 5 позволяет регулировать высоту приточной щели. Настилающаяся струя поступает в тупик 6, имеющий подвижную заднюю стенку 7. Воздух из тупика удаляется через отверстие в задней стенке 8 размером 50 100 мм. Боковая стенка тупика для удобства проведения исследований выполнена из прозрачного оргстекла. В верхней грани тупика устроены отверстия с пробками для установки пневмо-метрической трубки и датчика термоанемометра. Пневмометрическая трубка представляет собой уменьшенную копию пневмометрической трубки МИОТ /116/, выполненную из трубок с наружным диаметром 1,2 мм и внутренним диаметром 1,0 мм (рис. 4.2). Измерения проводились микроманометром типа ММН.
На описанной выше модели можно проводить экспериментальные исследования скоростей в зонах струйного и внешнего потенциального течений в различных сечениях по длине тупика.
Измерение распределения скоростей по оси струи
При проектировании воздухораспределения рассматривают три основных типа задач.
Задача I. Проверочный расчет. Известны: схема воздухораспре-деления, граничные условия, типоразмер воздухораспределителя, расчетный воздухообмен. Требуется проверить условия состояния воздушной среды в рабочей зоне помещения.
Задача 2. Конструктивный расчет. Известны: схема воздухорас-пределения, граничные условия, расчетный воздухообмен. Требуется подобрать типоразмер воздухораспределителя, который обеспечивал бы заданные комфортные условия в рабочей зоне помещения.
Задача 3. Конструктивный расчет. Известны: схема воздухорас-пределения и граничные условия. Требуется определить минимальный воздухообмен и типоразмер воздухораспределителя, которые обеспечивали бы заданные комфортные условия.
Рассмотрим некоторые понятия, встречающиеся при формулировке основных задач. Под схемой воздухораспределения мы понимаем схему течения воздуха в помещении, например, тупиковая подача плоскими настилающимися струями и т.д. Граничные условия отражают геометрические размеры помещения: длину, высоту, ширину , интенсивность источника теплопоступлений (теплопотерь) - cj, , параметры приточного воздуха, допустимые максимальную и минимальную подвижности, температуру и т.д. Комфортные условия - условия воздушной среды, при которых у человека не возникает неприятных ощущений дутья, холода и т.п. Исследованию комфортных условий посвящено значительное число работ. Комфортные условия могут быть представлены в ви де таблиц /52 и др./, графиков /13,126,161/, формул /218,222/. В настоящей работе использовалась запись комфортных условий в виде формул. Для этого вводилось понятие "эффективная температура сквозняка", принятое американским стандартом fr= ЦR/\ 55 - 66 (см. І.Ї) -A,G7«0=Ti -Тср-7,бб(щ-0И5)« ИА. (5-і) Дополним его необходимыми условиями из СНиП 11-33-75 и ГОСТ 12.1.005-76 n\v\ \ \ НОСС (5.2) Uv iw U LI мах где - максимальные и минимальные допус тимые значения температуры (скорости) воздуха в рабочей зоне. Состоянием комфорта будем считать такое состояние воздушной среды в рабочей зоне, которое удовлетворяет уравнениям (5.1, 5..2) Пусть это состояние обеспечивается в рабочей зоне с площадью Гкомф , тогда критерий кЪРЗ будет равен АОРЗ=_! .Юо%, 5.3) где Гг. . - общая площадь рабочей зоны. Значение АОРЗ должно нормироваться для каждого конкретного типа помещений. Попытка нормирования предпринята Р.Невинсом и П.Мак-Ноллом /222/ (см. табл. 5.1). Постановка задачи достижения / DPO = 100 % приводит к неоправданно высоким затратам на систему вентиляции из-за больших воздухообменов и сложных схем воздухо-распределения. i Рассмотрим случай подачи воздуха плоской настилающейся тупиковой струей в верхнюю зону помещения (рис. 5.1). Вся рабочая зона омывается внешним потенциальным потоком, движущимся со скоо Отсюда можно сделать вывод о том, что наиболее целесообразно создавать комфортные условия в области помещения вблизи точки ОС = 1,5 R . Это же отмечает Р.Нёвинс /218/. Поэтому принимаем значение Т в сечении X = 1,5 R за среднюю температуру зоны комфорта Тс . С учетом этого условия построены графики (рис. 5.3, 5.4, 5.5) для определения - 141 Из выражения (5.3) видно, что значение ОРЗ можно привести для плоской струи к виду ШО= - МОО% (5.14) где ОСн , ОС - абсциссы начала и конца зоны комфорта; Z - длина помещения. 5.2. Порядок расчета воздухораспределения 5.2.1. Решение задачи I. 1. Дано: Le,To , ТЭКСТР , \ , R , Ro, tK , Є2 , гт\х . 2. Определяем критерий ф по формуле (5.8) 3. По графикам (рис. 5.3) при Ц 0 и (рис. 5.4) при ty 0 по полученному значению параметра ф определяем ЭСц , OCv:, Ц , по графику (рис. 5.5) находим отношение Ч /Ф 4. Определяем Ц//ф по формуле s 1_[ і -(Т СТР-ТО)ЯСРЇ , (5.16) Ф 28, 1 Lo J где 1 экстр - минимальная (максимальная) нормируемая температура. При \ 0 обычно нормируют максимальную температуру, при .0 -минимальную. 5. По графику (рис. 5.5) определяем ОС (ос«) при большем зна чении /ф (оси щш 0 и при q, o). 6". По графику (рис. 5.6, 5.7) определяем М РЭ .