Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и анализ современного подхода к решению вопроса зашиты оконных проемов от воздействия внешних условий 11
1.1. Существующие методы защиты оконных проемов от воздействия внешних условий 11
1.2. Анализ процессов взаимодействия встречных плоских струй 17
1.3.Выводы по первой главе. Постановка цели и задач исследования 34
2. Закономерности движения воздуха и теплопередачи в потоках естественной конвекции и в приточных струях, настилающихся вдоль вертикальной плоской поверхности 36
2.1 .Скорость движения воздуха и теплопередача при свободной конвекции вдоль вертикальной поверхности остекления (ламинарный режим) 40
2.1.1.Уравнения ламинарного пограничного слоя и их решения 41
2.1.2.0бобщение и анализ полученных результатов 47
2.2. Скорость движения воздуха и теплопередача при свободной конвекции вдоль вертикальной поверхности остекления (турбулентный режим) 52
2.2.1.Потеря устойчивости ламинарного течения 52
2.2.2.Распределение скорости в турбулентном течении вдоль плоской стенки 55
2.2.3.Распределение скоростей и температур в пограничном слое естественной конвекции 59
2.2.4.Интегральные уравнения пограничного слоя и аналогия Рейнольдса 60
2.2.5.Решение интегральных уравнений пограничного слоя свободной конвекции 62
2.2.6.Вычисление коэффициентов интегральных уравнений для различных связей между критериями Нуссельта и Грасгофа 64
2.2.7.0бобщение и анализ полученных результатов 68
2.3.Скорость движения воздуха и теплопередача в потоке, образованном настилающейся неизотермической струей, вдоль вертикальной плоской поверхности 69
2.3.1.Метод "стыковки" решений для внутренней и внешней областей пограничного слоя 71
2.3.2.0сновные уравнения математической модели течения, вызванного полуограниченной приточной струей, настилающейся на вертикальную плоскую стенку 80
2.3.3.Толщина пристенного и струйного слоев 92
2.3.4. Экспериментальные сведения о структуре потока, вызванного приточной струей, настилающейся на плоскую стенку, и распределении скоростей и температур в нем 96
2.4.Выводы по второй главе 100
3. Взаимодействие встречных плоских полуограниченных вентиляционных струй 102
3.1.Методика расчета места слияния полуограниченных струй и направления и параметров результирующего потока 102
3.1.1. Место слияния струй, направленных навстречу друг другу 102
3.1.2.Направление и импульс результирующего течения 105
3.1.3. Средняя скорость в "начальном" сечении результирующего потока 108
3.1.4. Тепловой поток результирующей струи 108
3.2.Взаимодействие слабонеизотермической восходящей приточной струи с ниспадающим потоком естественной конвекции у холодного остекления 109
3.2.1.Место слияния струй, направленных навстречу друг другу 109
3.2.2.Импульс и тепловая мощность результирующего потока 112
3.3.Взаимодействие двух встречных изотермических приточных струй, настилающихся на стенку, температура которой равна температуре
окружающего воздуха 116
3.4. Выводы по третьей главе 118
4. Эксперименталъная проверка основополагающих соотношений 119
4.1.0писание лабораторной установки 119
4.2.Математическое планирование и статистическая обработка результатов эксперимента по встрече восходящей приточной струи с ниспадающим конвективным потоком у вертикального остекления 122
4.3.Планирование эксперимента по взаимодействию встречных приточных струй, настилающихся на плоское ограждение и статистическая обработка
его результатов 132
4.4.Выводы по четвертой главе 141
Общие выводы 142
Литература 144
Приложения 156
- Анализ процессов взаимодействия встречных плоских струй
- Скорость движения воздуха и теплопередача при свободной конвекции вдоль вертикальной поверхности остекления (турбулентный режим)
- Экспериментальные сведения о структуре потока, вызванного приточной струей, настилающейся на плоскую стенку, и распределении скоростей и температур в нем
- Средняя скорость в "начальном" сечении результирующего потока
Введение к работе
Актуальность исследования
С явлением взаимодействия приточных вентиляционных струй между собой и с потоками естественной конвекции мы встречаемся очень часто: при тепловой защите производственных и административных помещений с ленточным остеклением; при тепловой изоляции химических реакторов; при защите витрин магазинов от конденсатообразования; при создании воздушных завес, исключающих перетоки воздуха между разными частями помещения и т.д.
При защите здания от воздействия внешних метеоусловий и создании требуемого микроклимата в помещении, обеспечивающего оптимальную деятельность всех функциональных систем человека, его активность и работоспособность, самым слабым звеном являются световые проемы. Отличительной особенностью световых проемов является их пониженное сопротивление теплопередаче по сравнению с наружными стенами. В зимнее время температура воздуха вблизи оконных проемов ниже нормируемой. В летнее время тепло от солнечной радиации увеличивает температуру остекления и создает на поверхностях-пола, оборудования и т.п. инсолируемую зону с температурами, превышающими нормируемые.
Методика тепловой защиты приоконной зоны помещений известна. При подаче воздуха из плоской щели вдоль поверхности остекления можно поддерживать заданные параметры воздуха у внутренней поверхности остекления и тем самым регулировать процессы тепломассообмена в пристенном пограничном слое.
Для защиты рабочей зоны помещения от ниспадающих холодных потоков воздуха, образующихся в приоконной зоне в зимнее время, используют теплую вентиляционную полуограниченную струю, направленную навстречу холодному ниспадающему конвективному потоку. В летнее время холодной приточной струей подавляют восходящие конвективные потоки теплого воздуха у остекления.
При проектировании тепловой зашиты необходимо выполнить ряд аэродинамических и теплотехнических расчетов: определение расхода и температуры приточного воздуха, теплопотерь, оптимальных значений начальной скорости и ширины щели приточной струи, с таким расчетом, чтобы образующийся новый результирующий поток имел заданное направление. От этого зависит выбор местоположения отсосов и других средств распределения воздуха.
Точность этих расчетов во многом обусловлена правильностью определения места слияния встречных конвективных и приточных струйных потоков, то есть расположения того сечения, где начинает формироваться результирующий поток.
Место слияния или место встречи потоков является граничным условием, разделяющим плоскость остекления на части, в которых закономерности гидродинамики и теплопередачи различны. Погрешность в определении точки слияния может привести к неоправданному завышению (или занижению) расхода и температуры приточной струи и к большой ошибке в определении направления результирующей струи.
ПАНІ
РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ] БИБЛИОТЕКА СПетербурГ у/ J
«—>
В существующих методиках расчета тепловой защиты приоконной зоны помещения место слияния встречных потоков принимается без достаточных теоретических обоснований, а рекомендуемые эмпирические соотношения информационно ненадежны, так как отличаются друг от друга в несколько раз.
Целью настоящей работы является совершенствование методики расчета тепловой защиты на основе моделирования взаимодействия плоских полуограниченных струй воздушных завес.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Получить эмпирические формулы для адекватного описания распреде
ления скоростей и температуры по сечению пристенного потока естественной
конвекции и вдоль него.
-
Разработать математическую модель полуограниченной приточной струи, учитывающую структуру потока, соотношение между толщиной пристенного пограничного и струйного слоев, влияние сил трения и Архимеда и неравномерность теплоотдачи на весь поток.
-
Выбрать правильную концепцию для определения места слияния встречных вентиляционных потоков и направления результирующего потока.
-
Получить формулы для расчета начальных параметров приточных вентиляционных струй (расхода и температуры), подаваемых на остекление для нейтрализации естественных и вынужденных потоков воздуха.
-
Выполнить расчет координаты места слияния и угла направления слитного потока при различных начальных параметрах встречных вентиляционных потоков.
-
Установить, от каких параметров зависит координата места слияния и угол направления результирующего потока.
-
Выполнить экспериментальную проверку основных соотношений, определяющих место слияния встречных вентиляционных потоков, настилающихся на вертикальную поверхность остекления и направление результирующего потока.
На зашиту выносятся:
-
Методика расчета места слияния естественных конвективных и приточных струйных потоков у вертикального остекления и начальных параметров результирующего потока.
-
Формулы, аппроксимирующие распределение скоростей и температур потока естественной конвекции у вертикальной нагретой (охлажденной) стенки.
-
Математическая модель полуограниченной настилающейся затопленной струи, учитывающая неизменное соотношение между толщинами пристенного пограничного и струйного слоев и влияние на весь поток теплоотдачи, сил трения и Архимеда.
-
Материалы экспериментальных исследований по встрече вентиляционных струй, настилающихся на вертикальное остекление.
Научная новизна работы:
-
Получены полуэмпирические зависимости для распределения скоростей и температур в поперечных сечениях конвективных потоков у вертикальной нагретой (охлажденной) стенки в ламинарном и турбулентном режимах.
-
Построена математическая модель полуограниченной настилающейся на вертикальную стенку струи, учитывающая неизменное соотношение между толщинами пристенного и струйного слоев и влияние на весь поток сил трения и Архимеда, а также продольную неравномерность теплоотдачи.
-
Исходя из кинематического представления о месте слияния встречных струй, как места, к которому одновременно прибывают частицы, вышедшие в один и тот же момент времени из начальных сечений струй, построена математическая модель слияния встречных конвективных и приточных струй, настилающихся на вертикальную стенку с учетом сил трения и теплоотдачи. Решения, полученные на основании этой модели, подтверждены экспериментально.
Практическая значимость работы.
Предложенная в работе методика расчета места слияния встречных конвективного и приточного струйного потоков позволяет улучшить качество проектирования тепловой защиты приоконной зоны помещений с помощью настилающихся приточных струй.
Рекомендации по нейтрализации ниспадающих конвективных потоков с помощью встречных приточных струй использованы Воронежским ОАО "Син-тезкаучукпроект" и Воронежским филиалом ОАО ТипродорНИИ" при проектировании и реконструкции систем отопления и вентиляции производственных помещений с ленточным остеклением.
Результаты работы использованы в учебном процессе ВГАСУ при выполнении курсовых и дипломных проектов по специальности "Теплогазоснабже-ние и вентиляция".
Апробация результатов исследований и публикации. Основные результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях ВГАСУ (г.Воронеж), 1999-2003 г.г. Основное содержание диссертации опубликовано в 6 печатных работах. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю принадлежат: [1]-решение задачи взаимодействия приточной изотермической струи с конвективным потоком воздуха; [2]- обзор литературы по взаимодействию плоских струй; [5]-решение уравнений, предложенных Эккертом и Дрейком на основе новых эмпирических формул для аппроксимации опытных данных распределения скоростей в пристенном слое естественной ламинарной конвекции; [6]- приближенный метод нахождения места слияния взаимодействующих потоков дг „ и угла отклонения результирующего потока "Р.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы из 146 наименований и 4 приложений. Общий объем 165 страниц, в том числе 155 страниц основного машинописного текста, 18 рисунков, 12 таблиц.
Анализ процессов взаимодействия встречных плоских струй
Использование взаимодействующих струй является в настоящее время одним из наиболее эффективных методов интенсификации процессов тепломассообмена и перераспределения скоростей и направлений движения потоков в вентиляции. Несмотря на актуальность задачи, гидродинамика встречных потоков недостаточно изучена.
Достаточно полный обзор работ по теории струйных течений представлен в [54] для идеальной и в [3,23] для вязкой жидкости. Отметим, что еще Гельмгольц [133] установил, что задача о столкновении двух плоских струй идеальной жидкости, направленных под произвольным углом друг к другу, не может быть решена единственным образом из-за нехватки одного уравнения: для определения четырех неизвестных для результирующего течения (два импульса и два направления) имеются лишь три уравнения (сохранения массы, количества движения и энергии). На это обстоятельство указывается и в [54]. Лишь сравнительно недавно неопределенность этой задачи устранена с помощью анализа устойчивости движения [111]: две струи результирующего течения направлены прямо противоположно по диагонали параллелограмма, построенного на векторах импульсов сталкивающихся струй.
Так обстоит дело со свободными струями. Если же имеются ограничения (наличие стенок, условие симметрии), то задача имеет единственное решение. Так, в работе [71] проводится математическая постановка гидродинамической задачи о встрече осесимметричных струй идеальной жидкости, имеющих различные начальные импульсы, направленных навстречу друг к другу. После соударения струй образуется так называемая "пелена", которая асимптотически приближается к некоторому круговому конусу с общей для струи осью симметрии. Толщина "пелены" по мере удаления от оси взаимодействующих струй уменьшается. В работе приведены формулы для угла полураствора асимптотического конуса, определяющего направление суммарного потока, в зависимости от импульсов взаимодействующих струй.
В работах [54,71,62,108] задача о взаимодействии струй идеальной жидкости, имеющих ограничения, ставится и решается методом конформных отображений.
При рассмотрении взаимодействия реальных воздушных струй качественная картина может быть иной. Так, толщина "пелены" будет увеличиваться по мере продвижения вдоль результирующей струи вследствие турбулентного перемешивания его с окружающим воздухом. Еще более сложная картина наблюдается при взаимодействии конвективного потока и приточной струи. Решение задачи о взаимодействии встречных струй состоит в определении параметров слитного (результирующего) течения при заданных граничных условиях. Как указывается в работе [64], общего решения данной задачи, вследствие ее сложности, в настоящее время нет. В этой же работе отмечается, что каждая из взаимодействующих струй на участке от среза сопла до места соударения распространяется так, как если бы другая струя вовсе бы отсутствовала, т.е. как свободная затопленная струя.
Экспериментальные и теоретические исследования турбулентных свободных затопленных осесимметричных и плоских струй [3] устанавливают следующий характер изменения профиля продольных скоростей (распределения скоростей по сечению) вдоль оси струи: равномерный на выпуске струи профиль скорости размывается вследствие вовлечения в движение соседствующих со струей частиц внешней среды; из-за турбулентного перемешивания струя расширяется; после короткого начального участка (на котором осевая скорость постоянна) профиль скорости в различных сечениях струи на основном участке становится подобным самому себе; осевая (максимальная) скорость уменьшается обратно пропорционально расстоянию от выпуска для осесимметричной струй или корню квадратному из этого расстояния - для плоской.
В формулах (1.4)-(1.5) обозначено ит -осевая скорость в сечении на расстоянии х от выпуска струи, и -скорость в этом сечении в точке, удаленной от оси струи в поперечном направлении на расстоянии у. Формула (1.4) соответствует концепции струи конечной толщины {и = 0 при у = 0,22 ), получена Шлихтингом в полуэмпирической теории турбулентного следа за телом [120]. Формула (1.5) соответствует представлению о струе, как о слое бесконечной толщины (к = Опри = »).
В работе [23] указывается, что вопросы взаимодействия струй имеют большое практическое значение при решении задач активного управления процессами в различных областях техники, в частности, при разработке схем вентиляционных устройств.
Теоретические методы решения соответствующих задач еще недостаточно развиты, поэтому в работах [23, 24-28] представлены, главным образом, опытные данные и их обобщения. Тем не менее, в этих работах отмечается, что, несмотря на отсутствие теоретического решения, общее представление о качественной структуре течения можно получить, пользуясь методом суперпозиции струй, сложения динамических давлений, сложения функций тока или геометрическим сложением скорости. Эти приемы, как правило, точно передают специфические особенности сложного течения. Приемом "наложения" была построена качественная картина течения, созданного двумя встречными плоскими струями с одинаковыми начальными импульсами. Авторы указывают, что к сложным и малоизученным теоретически и экспериментально вопросам, решение которых представило бы значительный практический интерес, относятся: закономерности распространения струй в потоке, произвольно ориентированных струй; а также соударение и взаимное пересечение струй.
Скорость движения воздуха и теплопередача при свободной конвекции вдоль вертикальной поверхности остекления (турбулентный режим)
Результаты обобщения экспериментальных данных [73,120,121] свидетельствуют о том, что как при изотермическом течении вдоль пластины с постоянной скоростью вдали от стенки иж, так и в потоке естественной конвекции вблизи нагретой (охлажденной) стенки, ламинарное течение вблизи стенки в ее начале на некотором расстоянии хкр от начала теряет устойчивость. Переход от ламинарного режима движения в пограничном слое к турбулентному начинается с колебаний довольно большой длины волны, возникающих, когда толщина пограничного слоя достигает определенной величины. Эти колебания всегда существуют в потоке даже вдоль гладкой пластины вследствие различных флуктуации. На расстоянии х хкр вследствие поперечных пульсаций скорости на внешней границе пограничного слоя амплитуда колебаний увеличивается, волны приобретают неправильную форму, превращаясь в завихрения, хаотически распространяющиеся по толщине пограничного слоя. Наконец, поток приобретает ярко выраженный турбулентный характер. Пограничный слой становится турбулентным. Осреднен-ная по времени величина продольной скорости изменяется в поперечном направлении пограничного слоя от нулевого значения на стенке, до скорости мда внешнего потока на границе слоя.
Потеря устойчивости ламинарного течения при изотермическом обтекании пластины происходит при значении числа Реинольдса кех = —— порядка 5x105 [120,121]. Пограничный слой, образующийся при свободной конвекции, тоже приобретает турбулентный характер, когда его толщина достигает некоторой критической величины.
Следовательно, в условиях свободной конвекции переход от ламинарного режима течения к турбулентному происходит при более низких значениях критерия Рейнольдса, чем в условиях вынужденной конвекции (при наличии внешнего потока, мда Ф 0).
Использование полуэмпирической теории "пути перемешивания" Прандтля, а также принципа подобия распределения пульсационных скоростей Кармана [120,121], при обработке многочисленных экспериментальных данных по изотермическому течению жидкости в трубах и вдоль плоской стенки привело к следующей универсальной зависимости продольной скорости и от расстояния у от стенки в поперечном направлении пограничного.
Так же, как и в ламинарном течении, при турбулентном режиме естественной конвекции у нагретой (или охлажденной) стенки профиль скорости имеет явно выраженный максимум. Профиль скорости не является симметричным относительно положения максимума, как это наблюдается в круглых трубах.
При этом, как и ранее, предполагается что толщина теплового слоя совпадает с толщиной 8 динамического слоя, что при числе Прандтля близком к 1 оправдано. Множитель (і - 9)q(q О) в (2.68) введен из-за необходимости обращения в нуль при y = S (внешняя граница) не только 3, но и —(отсутствие теплового dy потока).
Приведенные ранее дифференциальные уравнения динамического и температурного пограничных слоев ( уравнения (2.6)-(2.7) из п. 2.1) для осредненных по времени скоростей и температур имеют такой же вид, с той лишь поправкой, что теперь VH а играют роль кажущихся кинематической вязкости и температуропроводности, обусловленных как молекулярным переносом количества движения и теплоты, так и турбулентным перемешиванием.
Уравнение (2.69) выражает собой теорему импульсов: изменение текущего импульса уравновешивается архимедовыми силами и силой трения на стенке. Уравнение (2.70) выражает закон сохранения энергии: изменение теплосодержания уравновешивается потоком тепла #„от нагретой стенки (или к холодной стенке). Напряжение трения г„ и тепловой поток q„ на стенке должны быть найдены экспериментально. Следует ожидать, что вблизи стенки соотношение, связывающее напряжение трения и тепловой поток со скоростями и температурами в этой области, являются одинаковыми для естественных и вынужденных конвективных потоков.
Экспериментальные сведения о структуре потока, вызванного приточной струей, настилающейся на плоскую стенку, и распределении скоростей и температур в нем
В отчете [30] содержится обзор экспериментальных работ по исследованию пристеночной струи. Подтверждается вывод о подобии профилей скорости в пристеночной затопленной полностью изотермической (7 =7 ,, = 7],) струе несжимаемой жидкости. Зависимость, аппроксимирующая профиль скорости в присте — х ночной струе при х = — 20, предложенная Верхоффом имеет вид: К = \A 1\i-erf{OM )\erf{z) = - ]e-ildz (эр-функция) (2.215) у где =—, Ьи- расстояние от стенки до точки сечения струи, в которой к и u = -SL. Полная ширина струи (в нашем обозначении 8т + 8) равна (8т + 8)/Ьи=2,25. Значение %т, при котором — = 1, равно т=- = 0,165. Таким образом, отношение толщины 8т пограничного пристенного слоя к полной ширине всего потока 8т + 8 не изменяется по длине основного участка (х хп = 20) и составляет: __ _ = 0Д65 = 0 0733. (2.216) 8п + 8 2,25 Толщина всего потока и значение максимальной скорости ит на расстоянии х от приточного отверстия аппроксимируются зависимостями: = + = 0,153 , (2.217) її ъ (2.218) щ 4х" Отметим, что зависимость (2.218) отличается от (2.124) не более, чем на 3%. Толщина пристенного струйного потока составляет —— = 69,5% от толщины свободной турбулентной струи. Используя (2.215)-(2.218), нетрудно подсчитать величину безразмерного импульса струи: pi \u2dy Гт+-3 2 J= L = J К \AS2f7[l-erf(0 )Ydy (2.219) 0"0 plu0b( в любом сечении x на основном участке струи (х 20). Учитывая, что = f = = , (2.220) bu 0,153 2,25 получим из (2.219) при помощи таблиц эр-функции [31] и численного интег рирования 7 = Cl,482 Ц Ъ erf (0,6Ю] = 1,482 0,3395. Подставляя сюда (2.218), получим J = -1,482 ±0,3395 = 0,6195 = const. (2.221) х 2,25
Таким образом, величина импульса струй на основном участке (х 20) остается неизменной и составляет 61,95% от начального импульса. Постоянство импульса означает, что сила трения проявляет себя на начальном и переходном участках струи и мало сказывается на основном участке, что нетрудно видеть из формул (2.63)-(2.64) для г„ при 20. 1.Установлены новые эмпирические формулы для аппроксимации опытных данных о распределении скоростей в пристенном слое естественной ламинарной конвекции, имеющие относительную погрешность не более 2%. 2.Выполнено решение интегральных уравнений пограничного слоя свободной конвекции при различных показателях степенной зависимости скоростей частиц от их расстояния до нагретой (охлажденной) плоской стенки. Это позволило найти распределение скоростей и температур, более точно отвечающее известному из опыта критериальному соотношению для теплопередачи между стенкой и окружающим воздухом. З.Подтверждена правомерность использования для описания ламинарной и турбулентной конвекции интегральных соотношений, выражающих законы изменения количества движения и избыточного теплового потока с учетом сил Архимеда, трения и теплопередачи. 4.Показана физическая неприемлемость двух известных математических моделей гидродинамики потока, образованного приточной струей, настилающейся на плоскую стенку: - модели "стыковки" пристенного пограничного слоя со свободной турбулентной струей; - модели независимого изменения толщины пристенного и струйного слоев. Обе модели приводят к физически противоречивому выводу: с увеличением расстояния от приточного отверстия толщина потока уменьшается. Ошибочность первой модели состоит в предположении, что сила трения влияет только на количество движения пристенного слоя, а не на весь поток. Вторая модель не учитывает наблюдающейся в экспериментах пропорциональности толщин пристенного и струйного слоев. 5.Предложена новая непротиворечивая математическая модель полуограниченной струи, учитывающая соответствующие эксперименту структуру струи, неизменное соотношение между толщинами пристенного и струйного слоев, влияние трения, сил Архимеда и теплопередачи на весь поток.
В настоящей главе решается задача о месте слияния восходящих и ниспадающих струй у вертикальной плоской стенки и направлении и параметрах результирующего потока, образовавшегося после их слияния. Струи могут быть как приточными с заданными начальными импульсами J J и температурами T0VT02, так и чисто конвективными, образовавшимися вследствие разности температур стенки Tw и окружающего воздуха Тя (или струи Тя).
В п.3.1 устанавливаются общие формулы для нахождения координаты места слияния сталкивающихся струй и параметрах образовавшегося результирующего потока. В последующих разделах исследуются конкретные случаи взаимодействия струй: ниспадающей холодной и восходящей горячей; приточные струи разных импульсов и температур; подавление ниспадающего конвективного потока у холодной стенки восходящей приточной струей.
В [19],[95] для нахождения места встречи ниспадающего конвективного потока у холодного остекления с восходящим потоком приточной струи используется равенство в этом месте максимальных (осевых) скоростей сталкивающихся потоков. Результатов экспериментальных исследований, в которых это обстоятельство обнаружено, не приводится. Поэтому равенство скоростей встречных потоков в месте их слияния вызывает сомнение, и это равенство следует рассматривать как допущение.
Правомочность этого допущения опровергается следующим рассуждением. Скорость ниспадающего конвективного потока весьма мала, но с увеличением пройденного расстояния она увеличивается за счет ускорения под действием сил вытеснения (разность плотностей) от нулевого значения в начале (вверху) до максимального в самом низу остекления. Обозначим самое большое значение скорости конвективного потока "".Скорость приточной затопленной струи, напротив, уменьшается с увеличением пройденного расстояния вследствие вовлечения в поток окружающего воздуха.
Средняя скорость в "начальном" сечении результирующего потока
После столкновения струй происходит перемешивание их материальных частиц и "выравнивание" (осреднение) скоростей. Начальную среднюю скорость wOJ, результирующего потока будем определять, как это принято при расчете струй [74], из равенства импульсов Jx+J2=J = pu2opboph (3.9) где через Ъор обозначена толщина результирующего потока в "начальном" сечении, вычисляемая из уравнения баланса расходов Ll+L2=L = uopbJ. (ЗЛО) Здесь через LX,L2 обозначены объемные расходы сталкивающихся струй в месте слияния: А = { u(X)ldy;L2 = jul2)ldy. (3.11) о о Из (3.9)-(3.10) следует, что средняя скорость в "начальном" сечении результирующего потока вычисляется по формуле: ор 00 L Ц+Ь2 а толщина "начального" сечения результирующей струи Ь =Ё.==(А+4У (ЗЛЗ) " J Jt+J2 Удаляясь от "начального" сечения результирующая струя будет утолщаться вследствие вовлечения в движение окружающего воздуха из-за турбулентного перемешивания.
Естественно считать, что тепловой поток Q = CppLT результирующей струи равен сумме тепловых потоков слившихся струй 2, +Q2 за вычетом тепла Д?„, потерянного в вихревой области вблизи места слияния из-за теплоотдачи через холодную стенку. Если же стенка имеет более высокую температуру, чем струя (или окружающая среда), то тепло, полученное струями за счет теплоотдачи от стенки AQwi следует прибавить к Qx + Q2. Таким образом, е=а+&±да с3-14) В первом приближении можно положить Д 2„ = 0. Начальную избыточную температуру слитного (результирующего) потока & следует рассчитывать как отношение теплового потока к объемному расходу в месте слияния: ,9 = --. (3.15) А + 4 Вдоль осевой линии слитной (результирующей) струи избыточная температура будет изменяться как в свободной затопленной струе с постоянным тепловым потоком Q.
Обозначим через Тл,Tw температуру окружающего воздуха и остекления соответственно. Поместим у нижнего края остекления приточную щель толщиной Ь0, через которую вдоль остекления вверх пустим приточную струю с начальной скоростью и0 и температурой Тп. Такие струи по терминологии [51] называются слабонеизотермическими. Рассмотрим взаимодействие приточной струи с ниспадающим потоком естественной конвекции у холодного остекления.
Будем считать, что встреча потоков происходит за пределами начального участка приточной струи. Подставляя (3.16) и (3.17) в основное уравнение (1.21) и выполняя интегрирование, получим алгебраическое уравнение для определения координаты хь места слияния [114].
Такое определение критерия Архимеда используется в [3], [15], [49]. Этот критерий не зависит от физических свойств газа. Рїз (3.18) следует, что место слияния восходящей приточной струи некоторого газа с ниспадающим конвективным потоком того же газа у холодной вертикальной стенки не зависит от того, какой это газ (какова его вязкость) Физически этот результат очень ясен.
Вернемся к ранее упоминавшейся формуле (1.11), которую можно переписать в виде: -=_Rej_ = _±_, (ЗЛ8б) A\Gr} Aligf&Tyv причем в [58] для константы А ь указано значение 8,65, а в [126]-19,5. Формула (3.186) говорит о том, что координата места слияния приточной струи и конвективного потока должна бы зависеть от кинематической вязкости угаза, движущегося в этих потоках. Если учесть, например, что кинематическая вязкость v водорода в 7 раз больше, а кинематическая вязкость хлора в 3,5 раза меньше кинематической вязкости воздуха [67], то из (3.186) следует, что встреча потоков водорода происходит в месте, расположенном в 26 раз ниже, а потоков хлора в 8 раз выше места слияния потоков воздуха.
Это находится в согласии с общими физическими представлениями: под действием гравитационных сил поток конвекции ускоряется и, чем больше пройденный им путь, тем больше скорость и тем дольше (т.е. ниже) происходит встреча с восходящим потоком приточной струи. Характерно, что начальное значение Ч?0 угла отклонения результирующего потока от вертикали зависит только от отношения координаты хь места слияния к высоте Я остекления. Из рис. 11 видно, что для любого значения Н = — существует критическое значение JC = 0,58, при котором угол Ч/0 = 90. При значениях хь х?утол F0 90, т.е. слитный (результирующийО поток направлен вниз. Для нейтрализации холодного потока конвекции надо обеспечить такие условия, чтобы выполнялось неравенство хь х?, тогда 90и холодный слитный (результирующийО поток будет направлен вверх. Для его удаления надо правильно расположить отсосы. Re Неравенство Р0 90 будет выполнено, если параметр —f- превышает кри тическое значение, зависящее от Я.
Пусть две приточные струи, температура которых Т0-Тл, выпущены из насадков, расположенных на расстоянии Н друг от друга, навстречу вдоль стенки, температура которой Ги равна температуре окружающего воздуха Тт. Для простоты ограничимся случаем, когда толщина 60 выпускных щелей одинакова у обеих струй, а скорости и01 и и02 различны.
Так как теперь избыточный тепловой поток слитной (результирующей) струи равен нулю, то есть ее температура равна температуре окружающего воздуха, начальное направление будет сохраняться и в дальнейшем. Слитный (результирующий) поток будет распространяться как свободная затопленная турбулентная струя.
Была изготовлена специальная прямоугольная деревянная рама с двойным остеклением. Стеклянные панели толщиной 3, высотой 1100 и шириной 600 мм наклеивались эпоксидной смолой на деревянную рамку с двух сторон, так что образовался зазор между стеклами величиной 15 мм. Со всех торцов рама герметизировалась смолой. В боковом торце внизу и в противоположном торце вверху были выполнены отверстия диаметром 10 мм. В них герметично вставлены трубки для подачи в зазор между стеклами и отвода из него проточной воды. Общий вид установки показан на рис. 13.
В опытах вода подавалась снизу и отводилась сверху. Таким образом удавалось установить температуру стекла на 8-16С ниже температуры окружающего воздуха. Температуру остекления контролировали пятью хромель-копелевыми термопарами, наклеенными на тыльном стекле в четырех углах и в центре.
В самом низу фасадного стекла был горизонтально установлен специально изготовленный из многослойной фанеры толщиной 6 мм щелевой воздухораспределитель постоянного статического давления, рассчитанный в соответсвии с [106] на одинаковую вдоль щели скорость подачи воздуха вертикально вверх струей, настилающейся наповерхность стекла. Ширина щели 3 мм. Для повышения равномерности распределения скорости подачи и стабилизации вертикального направления потока вдоль всей щели была установлена проволочная сетка с ячейками размером 0,5 мм, диаметр проволоки 0,25 мм. Расчет воздухораспределителя приведен в приложении 1. Выше на 5 мм перед подающей щелью была натянута ванадиевая проволока, подключаемая в опытах к электросети. Перед включением в сеть проволока смазывалась маслом. При включении в сеть проволока накалялась и сжигала масло. Образовавшийся дым приточным потоком увлекался вдоль поверхности остекления, отмечая место слияния с ниспадающим конвективным потоком и направление общей результирующей струи, образовавшейся после слияния.
Для измерения координаты места слияния и угла отклонения слитного (результирующего) потока от направления приточной струи использовалась вертикальная стеклянная панель, устанавливаемая во время опытов у бокового торца рамы перпендикулярно поверхности остекления. На эту панель наклеивались пронумерованные горизонтальные бумажные полоски шириной 10 мм с шагом по вертикали 100 мм.
Равномерность подачи воздуха на остекление контролировалась в процессе предварительной отработки измерением скорости воздуха с помощью метеометра МЭС-1. Отношение максимальной скорости к минимальной не превышало значения 11,1. Общий расход приточного воздуха от воздуходувки измерялся предварительно оттарированной трубкой Вентури.
