Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Развитие гидравлических методов расчета воздушных прослоек навесных вентилируемых фасадов 10
Становление научных исследований гидравлики воздушных потоков 15
Современные методы расчета ограждающих конструкций 18
ГЛАВА 2 Основы гидравлической теории тгд в воздушных прослойках навесных вентилируемых фасадов 20
Гидростатика термогравитационного движения 21
Гидравлически оптимальная толщина воздушной прослойки 30
Экстремальные свойства термогравитационного движения 32
Полученные расчетные зависимости 39
ГЛАВА 3 Численное моделирование плоского потока в условиях термогравитационной конвекции 44
Описание эксперимента 44
Задачи численного эксперимента 46
Результаты расчета 46
Описание работы реальных конструкций 53
Предлагаемые решения по усовершенствованию конструкции НВФ 58
ГЛАВА 4 Натурный и физический эксперимент 63
Определение погрешности измерения средней скорости в ТГК 63
Приборы для измерения скоростей в вертикальных вентилируемых каналах
Ограничения по использованию приборов 65
Измерение скорости потока и объемного расхода на вентиляционной решетке 65
Измерение скорости потока и объемного расхода непосредственно в воздуховоде (газоходе) 68
Эксперимент на физической модели 71
Натурный эксперимент 76
Сопоставление результатов расчета и экспериментов 78
Выводы 81
Список литературы 82
- Современные методы расчета ограждающих конструкций
- Гидравлически оптимальная толщина воздушной прослойки
- Задачи численного эксперимента
- Ограничения по использованию приборов
Введение к работе
Актуальность. Системы навесных вентилируемых фасадов (НВФ) в настоящее время находят широкое применение в строительной отрасли. Такие системы применяются для нового строительства и реконструкции жилых, общественных и промышленных зданий и сооружений. Востребованность данных систем объясняется их многофункциональностью: системы навесных вентилируемых фасадов не только придают зданию выразительный архитектурный облик, но и выполняют теплозащитные функции, способствуют нормализации тепловлажностного режима здания, что достигается благодаря конструкции данных систем.
Система навесных вентилируемых фасадов включает в себя слой теплоизоляции, воздушную прослойку и облицовочный материал, который крепится к ограждающей стене с помощью специальных элементов подконструкции: кронштейнов и направляющих.
Размеры конструкции систем навесных вентилируемых фасадов в настоящее время определяются путем проведения теплотехнических расчетов и эмпирическим путем. Однако, применение таких методов, не обеспечивает в полной мере оптимальных условий для протекания термогравитационной конвекции.
Степень разработанности.
Термогравитационная конвекция присутствует во многих технических устройствах и в природных явлениях (от тепловых двигателей до метеорологии и динамики океана). Поэтому первоначальный интерес к термогравитационной конвекции проявился в работах физиков. Физические основы термогравитационную конвекции исследовали Лоренц Г.А., Буссинеск Ж.В., Эккерт Э., Жуковский В.С., Соковишин Ю.А., Гершуни З.М., Жуховицкий А.А.. и др.
В наши дни изучением термогравитационной конвекции в инженерных конструкциях занимались такие ученые как Богословский В.Н., Горшков А.С., Дацюк Т.А., Карякин Ю.Е., Позин Г.М., Табунщиков Ю. А., Чебурканова Е.В., и др.
Расчетом воздушных прослоек систем НВФ занимались Косолапов Е.А., Машенков А.Н., Чебурканова Е.В., Перфилова В.А., Лепилова В.И., Петриченко М.Р., Петроченко М.В. и др.
Из иностранных авторов существенный вклад внесли Сперроу Е.М., Дрейк В.М., Бадр Х. М., Грин Д.Э., Кишинами К., Миямото М., Поп И., Рошка А.В., Сайто Х. Nicola Mingotti, Torwong Chenvidyakarn, Andrew W. Woods, F. Marques da Silva, M. Gloria Gomes, A., Moret Rodrigues, Roberto Fuliotto, Francesco Cambuli, Natalino Mandas, Nicoletta Bacchin, Giampiero Manara, Qingyan Chen, Catalin Popa, Dan Ospira, Stphane Fohannoa, Cristian Chereches, A.L.S. Chan, T.T. Chow, Wilmer Pasut, Michele De Carli и др.
Цели и задачи исследования
Целью работы является разработка гидравлической модели вертикальной воздушной прослойки систем навесных вентилируемых фасадов в условия термогравитационной конвекции и усовершенствование конструкций НВФ. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Развить гидравлические методы расчета термогравитационного потока в конструкциях НВФ для определения характеристик потока в условиях термогравитационной конвекции (средней скорости, интенсивности теплопередачи, потерь напора, средней по расходу температуры) и оценить интенсивность переноса теплового потока, температуры и влаги при термогравитационной конвекции, построить пьезометрическую линию для воздушного потока в условиях термогравитационной конвекции в воздушной прослойке.
-
Произвести численное моделирование плоского потока в условиях термогравитационной конвекции.
-
Провести физическое моделирование термогравитационной конвекции в вертикальных воздушных прослойках с различными типоразмерами воздушных прослоек и различным конструктивным исполнением.
-
Провести измерения параметров воздушного потока в натурных условиях на строительных объектах Санкт-Петербурга.
-
Определить направления по практическому применению результатов для принятия оптимальных проектных решений и усовершенствованию существующих конструкций НВФ.
Научная новизна состоит в развитии приближения Буссинеска для гидравлических методов расчета термогравитационных течений в воздушных прослойках НВФ. Поток воздуха в условиях термогравитационной конвекции стилизуется одномерным баротропным
движением. Показатель политропы n Проведено моделирование воздушного потока на физической модели вертикальной оформления входа и выхода на пропускную способность прослойки. Впервые проведены масштабные натурные измерения пропускной способности воздушных прослоек систем НВФ на строительных объектах Санкт-Петербурга. Эти эксперименты позволили провести верификацию теоретических оценок. Теоретическая и практическая значимость работы заключается в том, что температуры, теплового потока и влаги. Удается прогнозировать величину средней скорости Результаты исследований позволили рассчитать распределения скорости и температурного напора в условиях термогравитационной конвекции воздуха при одностороннем обогреве прослойки. Полученные результаты способствуют принятию правильных проектных решений. Практическая значимость работы заключается в методике определения оптимальных традиционные системы НВФ. Методология и методы исследования основаны на гидравлическом (одномерном) приближении, использующем вместо полей гидромеханических переменных распределения (функционалы) гидравлических элементов по ходу потока. При реализации работы широко использовались численное моделирование, аналитические оценки, методы современного гидравлического эксперимента на физической модели вертикальной вентилируемой прослойки и в натурных условиях на строительных объектах Санкт-Петербурга. Положения, выносимые на защиту Количественные оценки средней скорости, интенсивности теплопередачи, потерь напора, средней по расходу температуры в условиях термогравитационной конвекции воздушных прослойках. Результаты натурных и физических экспериментов по определению характеристик потока. Рекомендации по практическому применению результатов, направленные на усовершенствование существующих конструкций НВФ. Степень достоверности и апробация результатов Степень достоверности результатов гарантируется экспериментальной проверкой на тестируемые для конкретных расчетов на решениях известных (эталонных) задач и современные методы обработки результатов экспериментов. Основные материалы работы докладывались и обсуждались на конференциях и семинарах: XXXVIII Неделя науки СПбГПУ: Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов. Санкт-Петербург, декабрь, 2009 г. XXXIХ Неделя науки СПбГПУ: Всероссийская межвузовская научно-техническая конференции студентов и аспирантов. Санкт-Петербург, декабрь, 2010 г. 64-ая Международная научно-техническая конференция молодых ученых «Актуальные проблемы современного строительства». Санкт-Петербург, апрель, 2011 г. Пятый всероссийский форум студентов, аспирантов и молодых ученых, «Наука и инновации в технических университетах». Санкт-Петербург, сентябрь, 2011 г. Четвертая международная научно-техническая конференция «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». Москва, ноябрь, 2011 г. XXXIV Неделя науки СПбГПУ: Всероссийская межвузовская научно-техническая конференции студентов и аспирантов. Санкт-Петербург, декабрь, 2011 г. Доклад на конкурсе «У.М.Н.И.К». Санкт-Петербург, декабрь, 2011 г. Пятнадцатая международная межвузовская научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности». Москва, апрель, 2012 г. Международная конференция «Интеграция, партнерство и инновации в строительной науке и образовании». Москва, октябрь 2012 IV международный конгресс «Энергоэффективность. XXI век». Санкт-Петербург, ноябрь 2012. «Научные чтения», посвященные 85-летию д.т.н., проф. М.И. Гримитлина. Санкт-Петербург, март 2013 г. Шестая Международная научная конференция «Архитектура, строительство – современность». Республика Болгария, май 2013 Пятая юбилейная международная научно-техническая конференция «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». Москва, ноябрь 2013 V международный конгресс «Энергоэффективность XXI век». Круглый стол «Строительная теплофизика и энергоэффективное проектирование ограждающих конструкций зданий». Санкт-Петербург, ноябрь, 2013. Creative Construction Conference 2014, Чехия, Прага, 21-24 июня 2014 5th international conference “Civil engineering – science and practice” (GNP 2014), Жабляк, Монтенегро, 17-21 февраля 2014. International scientific conference "Week of Science in SPbSPU - Civil Engineering", Санкт-Петербург, 3-4 декабря 2014. Scientific conference "Urban Civil Engineering and municipal facilities", Санкт-Петербург, 18-20 марта 2015. Всероссийский фасадный конгресс «Фасады России 2015», Москва, 15-16 сентября 2015 Catalin Popa, Dan Ospira, Stphane Fohannoa, Cristian Chereches произвели численное моделирование свободно-конвективного движения в вентилируемых фасадах. В своей работе они использовали число Релея и учитывали влияние пограничного слоя. С помощью разработанной численной модели им удалось обнаружить и описать зоны рециркуляции, возникающие на входе и выходе вертикального канала [82]. Анализ литературных источников позволяет утверждать, что, несмотря на широкую применимость в строительстве навесных вентилируемых фасадов, размеры и конфигурация этих конструкций диктуется, в основном, архитектурно-эстетическими и технологическими мотивами. Так, не упорядочена система размеров конструкций, устройство подводящих и отводящих отверстий, расположение и густота крепления экранов, обработка поверхности экранов, не вполне ясна теплозащитная функция экрана, плохо изучены краевые эффекты; Гидравлика и гидродинамика вертикальных вентилируемых прослоек представлена решениями частных задач. Общие решения и упорядоченные методики расчета интегральных (гидравлических) распределений термогравитационных движений, доведенные до нормативов, отсутствуют. Поэтому, целью работы является разработка гидравлической модели вертикальной воздушной прослойки систем навесных вентилируемых фасадов в условия термогравитационной конвекции и усовершенствование конструкций НВФ. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи: 1. Развить гидравлические методы расчета конструкций НВФ для определения характеристик потока в условиях термогравитационной конвекции (средней скорости, интенсивности теплопередачи, потерь напора, средней по расходу температуры) и оценить интенсивность переноса теплового потока, температуры и влаги при термогравитационной конвекции, построить пьезометрическую линию для воздушного потока в условиях термогравитационной конвекции в воздушной прослойке. 2. Произвести численное моделирование плоского потока в условиях термогравитационной конвекции. 3. Провести физическое моделирование термогравитационной конвекции в вертикальных воздушных прослойках с различными типоразмерами воздушных прослоек и различным конструктивным исполнением. 4. Провести измерения параметров воздушного потока в натурных условиях на строительных объектах Санкт-Петербурга. 5. Определить направления по практическому применению результатов для принятия оптимальных проектных решений и усовершенствованию существующих конструкций НВФ. Становление научных исследований гидравлики воздушных потоков Изучение термогравитационной конвекции началось в 19-20 веках в связи с задачами метеорологии. Первые работы по расчету воздушных потоков в атмосфере выполнены Экманом (вращающаяся координатная система) и Грасгофом (экспериментальное исследование обтекания пластин, вертикальных и наклонных). В честь этих исследователей названы числа подобия (Грасгофа и Экмана), используемые в гидроаэродинамике. Эти работы носили принципиально эмпирическое содержание, т.к. метеорология в 19 столетии представляла, по словам русского академика П.А. Вальдена, «рецептуру исключительно эмпирического происхождения, лишенную каких бы ни было элементов теории». Прорывное, в принципиальном смысле, предположение делает Ж.В. Буссинеск, предложив в 1883 г. т.н. приближение Буссинеска. В этом постулате считается, что распределение давления по высоте воздушного столба при свободно-конвективном течении такое же, как и в условиях покоя, т.е. dp/p + gdz = 0 и градиент давления уравновешивается градиентом потенциала gz силы тяжести. Поэтому единственной массовой силой при термогравитационной конвекции остается архимедова плавучесть Эд. Новый этап изучения термогравитационных течений обязан своим возникновением теории пограничного слоя и относится к 1920-1930 г.г. В этот период Эккерт публикует полную систему уравнений свободной конвекции, включая уравнения движения, энергии и условие неразрывности: duz/dz + duy/dy = 0, uzduz/dz + uyduz/dy = gQ + vd2uz/dy2, uzdQ/dz + uydQ/dy = v/ad2Q/dy2, (1) где z-вертикальная координата, у-поперечная координата. Эта система уравнений породила многочисленные исследования, из которых необходимо упомянуть работы самого Эккерта (численное интегрирование этой системы), работы минской школы А.В. Лыкова ( технические приложения свободно-конвективных течений), работы Гершуни и Жуховицкого в Пермском университете (решение полной системы Стокса для термогравитационной конвекции), и, наконец, работы Ю.А. Соковишина, Ю.Е. Карякина по асимптотическим методам, выполненные в конце 70-начале 80 годов прошлого века в ЛПИ им. Калинина. На этих последних работах следует остановиться особо. Они спровоцированы изданием в СССР работ Ван-Дайка, Найфэ и Саула Каплуна по асимптотическим разложениям решений ОДУ. Теория асимптотических разложений вызвала резкую критику авторитетных математиков (Г. Вейля, А. Кноппа). Справедливости ради необходимо отметить, что первое применение асимптотических рядов для решения систем, подобных эккертовской, применил Г. Блазиус (учитель Вейля и Кноппа по Геттингенскому университету). Полное обоснование методы асимптотических разложений получили в теории т.н. плоских рядов А.Д. Брюно и В.П. Варина (ИПМ РАН, после 2010 г.). Идея асимптотических разложений решений сводится к тому, что решение строится в виде: X = Х0 + flat zsimtktic term (2) где X - искомая функция, X0 - короткий левый фланг ее степенного ряда, в качестве правого фланга используется т.н. плоский ряд (расщепляющее разложение). Основная задача: найти радиус сходимости этого ряда и сшить асимптотику со степенным рядом на границе промежутка сходимости. Эта тауберовская проблематика частично решается в теореме Саула Каплуна, указывающей условия для аналитического продолжения внутрь круга сзодимости из flat asimtotic term и обратно, из круга на асимптотический фланг. Численное решение (суммирование рядов на ЭВМ) мало что дает: недавно опубликованные результаты диссертации Фаиза Ахмада это явственно демонстрируют. Работы этого направления в СССР были свернуты после смерти Ю.А. Соковишина. Остается вне гидродинамического круга задач задачи гидравлического расчета. Гидравлические методы в теории тремогравитационной конвекции базируются на осреднении решений гидродинамических задач: решений Эккерта, результатов теории струй (Гримитлин), результатов измерений скорости и потоков в помещениях в условиях свободной конвекции. Совершенно независимо развивались методы расчета топочных устройств и котельных агрегатов, оформленные в виде всесоюзных норм котельных агрегатов и опубликованные во втором томе «Теплоэнергетического справочника». Основой расчета служит т.н. давление тяги, исчисляемое в приближении Буссинеска: При больших размерах щели вертикальный канал с обогреваемой гранью подобен вертикальной обогреваемой пластине (термогравитационное движение в полуограниченном (вертикальной плоскостью y=0) полупространстве). Естественно, в этом случае движение мало отличается от равномерного и ( /L =0. Значит, «оптимальный» размер канала, отвечающий максимуму пропускной способности: L_]_ Если местные потери напора отсутствуют (кроме потерь напора на выход), то, в силу (41) максимальный расход составит: Этот результат нетривиален. Действительно, получается, что чем меньше число Дарси X, тем меньше скорость. Это парадоксально, но следует иметь в виду, что в оптимальном канале h=XL, т.е. чем меньше X, тем уже оптимальный канал. Значит, при заданной высоте канала его пропускная способность максимальна за счет увеличения средней скорости v в ТГД. Например, пусть L=50 м, 9=273/278, =0,03. Тогда v=0,63 м/с, ширина канала h составляет 1,5 м, что, конечно, нереально. Если число Дарси втрое меньше, скажем, Я,=0,01, то v=0,21 м/с, ширина канала h=0,5 м. Если, в тех же условиях, L=100 м, то при А,=0,01 величина средней скорости составит 0,6 м при ширине канала h=1 м. На самом же деле число Дарси можно подсчитать по эмпирической формуле Итак, оптимальной ширины канала зависит от физических свойств воздуха и от температурного фактора 9. Канал, оптимальный при значении 9=0,98 окажется неоптимальным при 9=0,95. Для поддержания максимальной пропускной способности канала необходимо увеличивать его ширину при увеличении 9 (при увеличении температуры Tс холодного воздуха) и уменьшать ширину канала при уменьшении 9. Выводы: 1). Давление тяги пропорционально разности Th-Тс температур горячей грани канала и холодного воздуха; 2). Интенсивность передачи теплоты от горячей стенки холодному воздуху пропорциональна n1-k-1, n k. Эта разность обратно пропорциональна Л (приведенной высоте канала) и прямо пропорциональна относительному напору 1-9=(Thc)/Tc. Следовательно, чем короче канал, тем большая интенсивность теплопередачи требуется для реализации ТГД с фиксированной средней скоростью. Поэтому, например, тяга в короткой дымовой трубе требует предварительного прожога (прогрева стенок) трубы, в то время как печь с высокой дымовой трубой имеет большую тягу и легче растапливается; 3). Гидравлически оптимальный канал, обладающей при фиксированных значениях Сг, 9, L максимальной пропускной способностью, имеет ширину h, в X раз меньшую высоты канала ( -число Дарси). штрихом обозначена производная по переменной = , 5(z) - толщина пограничного слоя подъемной силы. Как видно, система (23) квазилинейна по f и линейна по 9. Ее неудобство состоит в том, что функции f и 9 заданы на некомпактном промежутке 0 С оо. Поэтому либо приходится сшивать ряды на границах промежутков сходимости (классические приемы ранней теории), либо строить шкалы для асимптотических разложений и априорные границы областей "сходимости" расходящихся асимптотических разложений (прием, описанный в известных книгах Ван-Дайка и Коуэла, и применявшийся в [17]), либо использовать процедуру расщепления, содержащую априорные оценки убывания коэффициентов-функций расщепляющих разложений. Для системы (39) известны: - решения, полученные методом расщепления; - «точные» численные решения. Для гидравлических задач, во-первых, удобнее задавать распределения на компактах. Это избавляет от необходимости осуществлять предельные переходы. Пусть: dq W V J W W Точка над Q поставлена, чтобы отличить это распределение от принятого в гидравлике обозначения расхода той же буквой. Поэтому в строчных обозначениях вне объектов пользуюсь французским шрифтом для обозначения производной температурного напора. Тогда вместо предельной задачи на 9 получается предельная задача для безразмерного теплового потока (числа Нуссельта) Q(0). Эта задача определена на промежутке значений Є є (0,1): Во-вторых, для гидравлических задач удобно ослабление топологии переходом от необходимых условий (предельных задач для дифференциальных уравнений) к Очевидно, условие (49) достаточно для выполнения условия (48) (неравенство Коши). Тогда выполняется следующий парафраз принципа Гиббса-Дюгема: 1). При заданной средней скорости (точнее, норме скорости) в ТГД распределение теплового потока доставляет неотрицательный минимум ln(Q0/Q). Значит, при заданной средней скорости в ТГД величина Q/Q0 наименее отклоняется от 1. Значит, при заданной средней скорости в ТГД, распределение температуры в пограничном слое подъемной силы наименее отклоняется от линейного распределения по координате y; 2). Или, при заданном распределении теплового потока устанавливается распределение скорости, доставляющее минимум среднеквадратичной норме скорости u JV Очевидно, что это уравнение имеет только 1 корень на промежутке 0 N 1 (g(N) монотонно возрастающая функция промежутке (0,1)). Получается: N=0,37 (0, 35), а=0,7; N=0,53 (0,5), о=1,0. В скобках указаны значения числа N из справочника [16], таблица 2, с.43. Определение погрешности измерения средней скорости в ТГК Погрешность измерения средней скорости при экспериментальном ее определении определяется погрешностью измерения силы тока и напряжения на нити анемометра, т.е., по сути дела, погрешностью прибора. Для термоанемометра, применяемого в эксперименте, пороговое значение измеряемой скорости составляет 0,05 М/С, максимальное значение измеряемой скорости – 5 м/с; диапазон измеряемой температуры – 0,5С…100С, т.е. в экспериментах по определению скорости в воздушной прослойке анемометр работает в штатных условиях. Средняя погрешность измерения скорости и температуры не превосходит 0,5%-1,0%. Погрешность определения ширины воздушного зазора составляет 0,5 мм (используется стандартная линейка). Погрешность определения средней скорости воздушного потока по формуле горячей граней канала и величиной коэффициента гидравлического трения X. Погрешность оценки температур при использовании термоанемометра не превосходит 0,5%. Для определения X можно использовать формулу X=64GrV2, справедливую для вязкогравитационного режима течения воздуха в вертикальном канале (Grh 107 8). Приборы для измерения скоростей в вертикальных вентилируемых каналах При контроле работы отопительного оборудования и наладке вентиляционных систем возникает вопрос, каким прибором использовать для измерения в воздуховодах (газоходах) таких параметров воздушного потока, как скорость и объемный расход? На рынке представлено огромное количество приборов: При выборе прибора стоит отталкиваться от того, где проводятся измерения - на вентиляционной решетке или непосредственно в воздуховоде (газоходе), каков примерный порядок скоростей, температура, запыленность. Далее приводятся принципиальные различия между приборами, а также даны советы по выбору приборов в зависимости от поставленной задачи. Технические характеристики приведенных ниже приборов указаны приблизительно, так как существует большое множество моделей с различными параметрами. Воронки используются совместно с анемометрами для измерения объемного расхода на вентиляционных решетках и диффузорах. С воронками процесс измерения происходит проще и точнее, т.к. проводится один замер, а не некоторое количество, как в случае работы только с анемометром с последующим выводом средних результатов. Необходимо, чтобы воронка полностью накрывала решетку (диффузор), то есть размер и форма воронки должны соответствовать размеру и форме решетки (диффузора). При использовании воронки в прибор вносится ее коэффициент, поэтому чаще всего анемометр можно использовать только той фирмы, которая производит и воронки к нему. Примечание. Когда задача состоит из измерения нескольких параметров (например, давление, скорость, влажность, температура), удобнее всего воспользоваться комбинированным прибором, но это далеко не всегда дешевле, чем приобрести по отдельности дифманометр, анемометр, гигрометр и т.п. Ограничения по использованию приборов Не рекомендуется применять термоанемометры и трубки Пито для измерения потоков воздуха с большой запыленностью, а термоанемометры также и в высокоскоростных потоках (более 20 м/с). В трубках Пито отверстие, воспринимающее полное давление, небольшого диаметра, и оно может засориться (в этом случае лучше использовать трубку НИИОГАЗ или подобные). А в термоанемометре может порваться чувствительный элемент – «обогреваемая струна». Большая насыщенность мелких частиц (запыленность) может быть, например, при производстве цемента, муки, сахара, в металлургии, при наладке вентилируемых систем в период строительства и др. Не рекомендуется использование приборов вне диапазонов рабочих температур для измерительного блока и зондов. При измерениях в среде высоких температурах рекомендуется использовать пневмометрические трубки из нержавеющей стали или высокотемпературные крыльчатки из специальных сплавов, вместо скоростных зондов, изготовленных с использованием пластиковых элементов. Например, при измерениях в газоходах, где чаще всего преобладают высокие температуры. При проведении замеров необходимо, чтобы чувствительный элемент зонда был строго перпендикулярен, или направлен навстречу потоку воздуха. При несоблюдении данного правила, увеличивается погрешность измерений, причем, чем больше угол отклонения, тем больше погрешность. Измерение скорости потока и объемного расхода на вентиляционной решетке Для проведения данных измерений можно воспользоваться любым анемометром или термоанемометром, но замеры будут быстрее, правильнее и точнее, если использовать анемометр с крыльчаткой большого диаметра D=60-100 мм, т.к. в этом случае диаметр крыльчатки будет сопоставим с размерами решетки. Для упрощения измерений и уменьшения погрешности можно использовать воронку вместе с прибором. Если необходимо проводить замеры в труднодоступных местах (например, под потолком), можно использовать либо телескопический зонд, либо зонд с удлинителем. Анемометр с крыльчаткой большого диаметра D=60-100 мм – наиболее подходящий прибор, так как с ним проводится минимальное количество измерений, что дает более точный результат и минимум затраченного времени. Анемометр с крыльчаткой малого диаметра D=16-25мм и термоанемометр. При использовании этих приборов необходимо провести большее количество измерений, нежели при использовании анемометра с крыльчаткой большого диаметра. Это занимает больше времени, а также уменьшает точность измерений ввиду того, что увеличивается вероятность отклонения от оси измерений при каждом замере. При использовании любого из вышеперечисленных приборов желательно, чтобы он имел функцию расчета объемного расхода, а также усреднения по времени и количеству замеров. В противном случае придется эти значения рассчитывать самостоятельно. Для начала необходимо провести измерения скорости потока в нескольких точках, распределенных по решетке, например, как показано на рис. 5, после чего рассчитывать среднюю скорость по формуле: Величина скоростного напора пропорциональна расстоянию от линии давления в условиях равновесия (крайняя правая кривая) до линии давления в условиях теплообмена. Непрерывность пьезометрической линии показывает, что скоростной напор постоянен по ходу потока. Тем самым достигается постоянная средняя скорость по всей длине фасада. По графику можно сделать следующие выводы: 1. Местные потери напора сосредоточены на входе в воздушную прослойку. 2. На выходе из прослойки давление равно атмосферному на отметке прослойки. 3. Перепад давления на входе в прослойку равен давлению тяги. Так же по расчетным зависимостям были построены графики зависимости скорости потока и температуры от геометрических параметров воздушной прослойки. Результаты расчета скоростных полей по полученным расчетным зависимостям, показывают, что по ходу потока происходит «размазывание профиля скорости» и увеличение скорости спутного потока. По расчетам получается что пограничный слой нигде не смыкается с холодным экраном, поэтому во всех сечениях канала наблюдаем развитие течения и уменьшение коррективов скорости. В данных расчетах, в отличие от предшествующих работ учитывалось увеличение толщины пограничного слоя подъемной силы по ходу потока (он переменной величины) поэтому получилось реальное расслоение эпюр скорости. Это показывает, что движение непрерывно развивается от входа в канал по длине потока. Расчетная зависимость температурного перепада от поперечной координаты канала Результаты расчета температурных полей по полученным расчетным зависимостям, показывают, что по ходу потока происходит увеличение температуры во всех точках сечений. По расчетам получается что пограничный слой нигде не смыкается с холодным экраном, поэтому во всех сечениях канала наблюдаем развитие течения и увеличение температуры. В данных расчетах, в отличие от предшествующих работ учитывалось увеличение толщины пограничного слоя подъемной силы по ходу потока (он переменной величины), поэтому получилось реальное расслоение эпюр температуры. Это показывает, что движение непрерывно развивается от входа в канал по длине потока. Численное моделирование термогравитационного движения в вертикальных воздушных прослойках производилось с помощью лицензионного пакета ANSYS-14 Fluent. Решается система из уравнения неразрывности (непрерывности) движения, Стокса в приближении Буссинеска и энергии. В тензорной нотации система имеет вид: где суммирование ведется по повторяющемуся значку (г), dim - размерность задачи (3 dim). Для плоских вентилируемых прослоек: dim=2, s=z. Всего получается 3 уравнения для 3 неизвестных (2 компоненты скорости + температурный напор). Уравнение энергии может быть заменено условием баротропности движения. Система замкнута. Вопрос о ее разрешимости открыт. Основа моделирования движений - аппроксимация конвективных членов u-gradA, А - плотность распределения переносимой (пассивной, консервативной) примеси. При этом исходная система уравнений (импульсов+энергии+неразрывности) квазилинейная, нелинейности в конвективных членах. Система относится к эллиптико-параболическому типу, с доминированием либо конвекции, либо диффузии. Доминирование диффузии -неинтересный эллиптический случай; при доминировании конвекции получается квазипараболическая система. При этом старшая производная по координате в уравнениях движения и энергии содержит малый множитель, соответственно vT, —-: уравнения сингулярно возмущены. Для расчета (турбулентной) вязкости и температуропроводности используются дополнительные замыкающие соотношения, трактуемые как уравнения для определения турбулентной вязкости и числа Прандтля. Исторический интерес представляют т.н. алгебраические модели. В модуле Ansys реализуются следующие модели: - модель нулевого порядка (алгебраическая модель Прандтля-Клаузера); - стандартная k-s модель; - двухпараметрические модели k-s (Спаларта-Алмареса); - модель Гиримаджи; - стандартная k-ш модель и ее модификации (перенос сдвиговых напряжений на вихрях); Все модели с дифференциальными соотношениями устроены так. Пусть A переносимая величина (k, є, со и т.д.). Уравнение переноса на A: — = v(j3VA)+ZVA + YA DA дA ( -А , где Y, Z, р - как правило, эмпирические коэффициенты, — := — + divl A и \ Dt dt У J субстанциальная производная (производная вдоль поля). Например, A=k, k кинетическая энергия пульсационного движения: т = -pvS,v = vT + v,vT =—, со 2 со осредненная завихренность, удовлетворяющая такому же по виду уравнению переноса. Важно, что все замыкающие уравнения линейны. В области изменения вычисляемых функций содержатся пограничные слои -множества больших градиентов распределений (скорости, температуры и пр.), что создает определенные трудности при вычислении распределений и их градиентов. В пакете ANSYS-14 эти трудности обходятся применением апостериорных оценок искомых распределений («пристеночными функциями») и эмпирическими моделями переноса. Исходная система уравнений записывается в осредненном виде, для коэффициентов матрицы напряжения используются различные модели переноса. Например, при использовании схемы Клаузера считается, что вблизи стенки доминирует диффузия «мелких» вихрей с масштабом молекулярной вязкости, вне -диффузия крупных вихрей с масштабом задачи (например, h - в случае вертикальной вентилируемой воздушной прослойки). Конечно, такой способ решения предельных задач абсолютно нестрогий и оправдан исключительно возможностями верификации решений.
вентилируемой прослойки. Изучено влияние размеров прослойки, конструктивного
определена связь гидравлических элементов потока с интенсивностью переноса
в воздушной прослойке, конфигурацию пьезометрической линии, оценить интенсивность
переноса температуры, теплового потока и влаги в воздушной прослойке НВФ. Численное
моделирование термогравитационного движения в программном комплексе ANSYS
размеров воздушной прослойки систем НВФ в условиях термогравитационной конвекции.
Сформулированы конкретные предложения по увеличению пропускной способности
воздушной прослойки систем НВФ путем внесения конструктивных изменений в
натурных объектах, на результатах физических экспериментов, на верификации численными
методами расчета потоков. Применены современные лицензионные симуляторы,
Современные методы расчета ограждающих конструкций
Гидравлически оптимальная толщина воздушной прослойки
Задачи численного эксперимента
Ограничения по использованию приборов