АДАПТАЦИЯ СТАНДАРТНОЙ ИНЖЕНЕРНОЙ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СТРУЙ ДЛЯ СЛУЧАЯ ЛАМИНАРНОГО РЕЖИМА ИСТЕЧЕНИЯ
Аннотация и ключевые слова
Аннотация (русский):
Повышение эффективности систем вентиляции и кондиционирования воздуха помещений зданий гражданского назначения связано с применением на практике новых типов воздухораспределительных устройств – микроперфорированных текстильных воздуховодов. Основным преимуществом такого типа воздухораспределителей является подача приточного воздуха быстрозатухающими ламинарными микроструями. В настоящее время существующие подходы по расчету основных параметров приточных струй (осевой, продольной скорости) ориентированы на турбулентный режим истечения и не корректны для определения параметров ламинарных микроструй. В статье представлены результаты по адаптации существующих инженерных методик расчета для решения задач в ламинарной постановке. Уточнены расчетные формулы И.А. Шепелева, путем введения полученных зависимостей аэродинамической характеристики струи m и постоянной с, входящих в расчетную формулу, от кинематического импульса струи K для случая ламинарного истечения микроструй, истекающих из отверстия круглой формы.

Ключевые слова:
микроперфорированный текстильный воздуховод, компактная струя, микроструи, ламинарные струи, аэродинамические характеристики струи.
Текст
Текст произведения (PDF): Читать Скачать

Одной из основных задач вентиляции гражданских зданий является подача приточного воздуха в нужном объеме и с требуемыми параметрами в зону дыхания человека, что до настоящего времени было сложно осуществить посредством существующих типов воздухораспределителей из-за высоких скоростей приточного воздуха. Преимуществом микроперфорированных текстильных воздуховодов является возможность подачи приточного воздуха быстрозатухающими ламинарными микроструями, истекающими из микроотверстий (d=0,0002–0,0006 м), прожигаемых в ткани лазером [1, 2], что исключает возможность появления эффекта сквозняка в рабочей зоне помещения, способствует формированию требуемых параметров микроклимата [3, 4]. Ряд численных и экспериментальных исследований, выполненных зарубежными авторами [5–9], позволяет сделать вывод, что воздушное душирование рабочих мест способствует улучшению качества воздуха в зоне дыхания работников.

Микроперфорированные текстильные воздухораспределители начали применяться в России относительно недавно, поэтому в справочной литературе отсутствует информация, необходимая для проектирования систем вентиляции с использованием такого вида устройств.

Проведенный анализ существующих инженерных методик расчета основных параметров струй показал, что общим недостатком методик И.А. Шепелева [10], Г.Н. Абрамовича [11], C.-J. Chen и W. Rodi [12] является то, что они предназначены для решения задач в турбулентной постановке. Методика Г. Шлихтинга [13] позволяет определять параметры ламинарных струй, однако необходимо для каждого рассматриваемого случая определять полюс струи, находящийся на расстоянии х0 от приточного отверстия, что повышает трудоемкость расчета.

Анализ возможного сочетания диаметра (d=0,0002–0,0006 м) приточных микроотверстий текстильных воздуховодов и начальной скорости истечения воздуха (u = 0,9–6,5 м/с) дает представление о диапазоне варьирования числа Рейнольдса: Re=3-270. Таким образом, для микроструй, истекающих из микроотверстий характерен ламинарный режим истечения. В этой связи возникает необходимость в адаптации существующей методики расчета основных параметров струй для случая ламинарного истечения.

За основу был принят инженерный метод расчета, приведенный в работе И.А. Шепелева [5] для расчета скорости струи:

u=mu0F0хe-0,5∙(yс∙x)2               (1)

где: u0 – средняя скорость истечения, uх – осевая скорость струи, F0 – площадь приточного отверстия, x и y – координаты точки, c – постоянная,
m – аэродинамическая характеристика приточной струи.

Для осевой скорости струи, при y=0, формула (1) принимает следующий вид:

uх=mu0F0х                     (2)

Значение аэродинамической характеристики изотермической турбулентной струи в соответствии с [10] составляет m=6,88, вероятное значение постоянной с=0,082.

С целью расширения границы применения расчетных формул (1) и (2) необходимо уточнить значения вышеуказанных постоянных.

Рис. 1. Схема струи

 

Была рассмотрена струя (рис. 1) при различных сочетаниях диаметра приточного отверстия (d=0,00025; 0,0004; 0,0006 м) и значениях начальной скорости (u=0,2–6,6 м/с). Кинематический импульс струи (К) изменялся в пределах от 1,96·10-9 до 1,23·10-5 м42. Кинематическая вязкость воздуха υ=14,6·10-6 м2/с, температура воздуха t=20 °C, плотность воздуха ρ=1,2 кг/м3, режим истечения – ламинарный.

При уточнении аэродинамической характеристики струи m и постоянной c, входящих в расчетные формулы (1) и (2), были последовательно решены следующие задачи при ламинарном режиме истечения микроструи.

Задача 1. Определено изменение осевой скорости микроструи (u0, м/с) от расстояния (х, м) от приточного отверстия при различных вариантах исходных данных по методике И.А. Шепелева [10] и Г. Шлихтинга [13]. Методом последовательного приближения, меняя значение m, выполнено совмещение графика, построенного с помощью расчетной формулы (2) методики [10] с графиком, построенным по результатам расчета в соответствии с методикой [13] (пример - рис. 2). По результатам расчета был построен график изменения значения аэродинамической характеристики струи от кинематического импульса микроструи (К, м42) (рис. 3).

 

 

Рис. 2. Сопоставление графиков осевой скорости микроструи при К= 0,45216·10-7 м42

Рис. 3. Изменение значения аэродинамической характеристики струи m в зависимости от кинематического

 импульса K

 

В результате аппроксимации получена следующая зависимость:

m=8179,9∙K0,5                  (3)

Задача 2. Были определены профили продольной скорости микроструи на различном расстоянии от приточного отверстия (х=0,0011; 0,002; 0,003; 0,006; 0,008; 0,01 м) при заданных значениях кинематического импульса микроструи. Аналогично алгоритму, представленному при решении задачи 1, методом последовательного приближения, меняя значения постоянной c было выполнено совмещение графиков продольной скорости микроструи (пример – рис. 4). По результатам расчета был построен график изменения значения постоянной c от кинематического импульса микроструи К (рис. 5).

 

Рис. 4. Сопоставление графиков продольной скорости микроструи при х=0,0003 м

Рис. 5. Изменение значения постоянной c в зависимости от кинематического импульса K

 

 

В результате аппроксимации получена следующая зависимость постоянной c от кинематического импульса микроструи K:

с=8∙10-5K-0,494                  (4)

Заменив значения аэродинамической характеристики струи m и постоянной с в расчетных формулах (1) и (2) полученными зависимостями (3) и (4), запишем адаптированные формулы для расчета продольной и осевой скорости ламинарной микроструи, получим:

продольная скорость ламинарной микроструи:

u=8180∙K0,5u0F0хe-0,5∙(y8∙10-5K-0,494x)2

осевая скорость ламинарной микроструи:

uх=8180∙K0,5u0F0х

Выводы. В результате проведенного исследования, расширена область применимости инженерной методики И.А. Шепелева применительно к ламинарному режиму истечения струи. Получена зависимость аэродинамической характеристики струи m и постоянной с от кинематического импульса струи K для ламинарных микроструй. Разработанные модификации корреляций, позволяют определять основные параметры микроструй (осевую, продольную скорости) с погрешностью, не превышающей 3 %.

Список литературы

1. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Технологические процессы лазерной обработки. М.: изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана. 2006. 664 с.

2. Парфенов В.А. Лазерная микрообработка материалов: Учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2011. 59 с.

3. Рымаров А.Г., Агафонова В.В. Особенности истечения воздуха микроструями // Приволжский научный журнал. 2015. №1. С. 60-64.

4. Рымаров А.Г., Агафонова В.В. Исследование возможности применения текстильных воздуховодов в системах вентиляции // Естественные и технические науки. 2015. №2. С. 141-143.

5. Nielsen P.V., Topp C., Sonnichsen M. et al. Air distribution in rooms generated by a textile terminal-comparison with mixing and displacement ventilation //ASHRAE Transaction. 2005. Vol. 8 (1). Pp. 733-739.

6. Nielsen P.V., Hyldgaard C.E., Melikov A. Comparison between different air distribution systems // Aalborg University and International Centre for Indoor Environment and Energy. 2007. Denmark. 17 p.

7. Nielsen P.V. Personal exposure between people in a room ventilated by textile terminals: with and without personalized ventilation // HVAC&R Research. 2007. Vol. 13 (4). Pp. 635-644.

8. Pinkalla C. Fabric duct air dispersion for HVAC systems // Construction Specifier. 2003. Vol. 56 (6). Pp. 57-64.

9. Chen F., Chen H., Xie J. et al. Air distribution in room ventilated by fabric air dispersion system // Building and Environment. 2011. Vol. 46 (11). Pp. 2121-2129.

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

11. Абрамович Т.Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1976. 623 с.

12. Chen C.-J., Rodi W. Vertical turbulent buoyant jets: a review of experimental data. NASA STI/Recon Technical Report A 80. 1980. 96 с.

13. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. Пер. Г.А. Вольперта с 5-го нем. изд., испр. по 6-му (амер.) изд. Под ред. Л.Т Лойцянского. М.: "Наука". 1974. 711 с.


Войти или Создать
* Забыли пароль?