РАЗДЕЛ 2
Теоретическое исследование аэродинамики
воздушно-тепловых завес
2.1. Основные аэродинамические зависимости
смешения плоских струй
При распределении воздушного потока, истекающего из воздуховыпускных отверстий
воздушно-тепловой завесы, для обеспечения условия непрорывания наружного
воздуха в помещения, необходимо решить задачу распределения полей скорости и
избыточной температуры во взаимодействующих струях, при выпуске воздуха через
расположенные друг над другом воздуховыпускные отверстия в воздухораздаточном
коробе воздушно-тепловых завес.
Смешение при взаимодействии струй является одной из важных концепций
аэродинамики вентиляции [1-5, 8, 14-15, 18, 20, 21, 23, 29, 32, 35, 36, 44, 47,
49, 67, 73, 80-83, 96, 107, 117, 123, 124, 131, 136, 138, 144, 145]. Под
классической картиной смешения воздушных струй подразумевается, что на
некотором расстоянии, после их слияния, имеет место единый воздушный поток, с
установившейся скоростью. Т.е. постулируется, чтобы профили скоростей в любом
поперечном сечении потока были постоянны, т.е. Vсум=const. От зоны смешения
потоков до зоны установившегося слияния воздушного потока – вблизи его границы,
можно наблюдать «противоток» или «подсос воздуха».
На практике, смешение струй воздуха (не идеального газа) определяется либо по
зоне, где происходит взаимодействие воздушных масс, либо по максимальной
способности проникновения воздушных струй друг в друга. В любом случае, область
смешения струй воздушного потока начинается раньше, чем установившегося. При
этом скорость периферийных слоев струи воздушного потока, при одинаковых
условиях истечения, на протяжении пути слияния не будет равномерной, пока не
будет достигнута зона полного слияния воздушного потока.
Для аналитического исследования смешения плоских струй рассмотрим распределение
поля скоростей плоской неизотермической струи, истекающей из
воздухораспределительного отверстия теплолокализующего устройства.
Так скорость на оси струи определятся по известной зависимости [95]:
(2.1)
где — кинематическая характеристика струи;
Токр — абсолютная температура наружного воздуха, К;
То — абсолютная температура воздуха в начале истечения, К;
— поправочный коэффициент, учитывающий неравномерность профиля скоростей в
начале истечения, выраженный через коэффициент местного сопротивления
приточного отверстия ;
— скорость истечения, м/с;
— ширина воздуховыпускного отверстия, м;
— длина воздуховыпускного отверстия, м,
а скорость в любой точке струи на некотором расстоянии от источника истечения
[95] определяется как:
(2.2)
где у — расстояние по вертикали от верхней кромки щели воздуховыпускного
отверстия в зависимости от х.
Для определенности при расчете скорости по формуле (2.2) зададимся следующими
начальными условиям: температура воздуха в окружающем пространстве Токр = 255
К, коэффициент местного сопротивления отверстия о = 1.
Эти исследования выполнялись при предельно-допустимых значениях скоростей
истечения из воздухораспределительных отверстий воздушной завесы согласно [112]
при v = 8 м/с и температуре струи в начале истечения То = = 323 К у наружных
дверей и при v = 25 м/с, То = 343 К у ворот и технологических проемов [79].
Рассмотрим случай, когда размер щели воздуховыпускного отверстия 0,1х0,01 м
(струя плоская).
При рассмотрении случая, когда размер щели воздуховыпускного отверстия 0,1х0,01
м (плоская струя), были получены графические зависимости скорости струй Vх от
расстояния по вертикали у (от верха отверстия истечения размером 0,01х0,1 м) на
различном расстоянии от отверстия истечения по горизонтали х1=0,01 м, х2=0,05
м, х3=0,1 м (рис.2.1-2.2).
Рис.2.1. Зависимость скорости Vх от расстояния по вертикали у (от верха
истечения) на различном расстоянии от отверстия истечения по горизонтали х:
Ё - х1=0,01 м; ¦ - х2=0,05 м; ^ - х3=0,1 м; при начальной скорости истечения
Vо=8м/с.
Рис.2.2. Зависимость скорости Vх от расстояния по вертикали у (от верха
истечения) на различном расстоянии от отверстия истечения по горизонтали х:
Ё - х1=0,01 м; ¦ - х2=0,05 м; ^ - х3=0,1м ; при начальной скорости истечения
Vо=25 м/с.
Анализ полученных данных (рис.2.1-2.2) показал, что распределение скорости, на
различных удаленных от щели расстояниях, характеризуется резким падением
скорости на расстоянии равном ширине воздуховыпускного отверстия. При этом
удаление от точки истечения практически не влияет на указанное расстояние.
Для возможности расчета скоростных полей суммарного потока, образующегося при
взаимодействии и слиянии отдельных струй, рассмотрим следующую формулу,
полученную методом суперпозиции количества движения, который базируется на
следующих предпосылках [35]:
импульс секундной массы воздуха, проходящего через элементарную площадку dF в
поперечном сечении слившегося потока, равен сумме импульсов секундных масс
воздуха, проходимых через прощадку dF отдельными струями, т.е.
r V2сумdF= r іV2іdF (2.3)
избыточная энтальпия секундной массы воздуха, проходящего через элементарную
площадку dF в поперечном сечении слившегося потока, равна сумме избыточных
энтальний секундных масс воздуха, проходимых через эту же площадку отдельными
струями, т.е.
Vсум r сум g Дtсум ср dF = срVі r і g Дtі dF (2.4)
скорость и избыточная температура для каждой из взаимодействующих струй
описываются соответствующими уравнениями свободных струй [35].
Формула для расчета суммарной скорости при взаимодействии плоских
неизотермических струй, истекающих из щелевых выпусков одинаковой ширины bо при
равных скоростях vo и одинаковых избыточных температурах Дtо на истечен
- Київ+380960830922