Диссертация (Повышение эффективности работы системы естественной вентиляции при формировании теплового движения воздуха), страница 10

Перед поворотом происходит срыв пограничного слояу внешней стенки (область б), а за поворотом - у внутренней (область а).Исследования[87,88]показали,чтовентиляционныеотводыхарактеризуются наличием парного вихря. Под действием центробежнойсилы поток оттесняется к внешней границе (зеленые линии, Рисунок 39),отталкивая от стенки частицы с низкими скоростями, которые, в своюочередь, оттекают по направлению к внутренней стенке (красные линии,Рисунок 39). В скругленных вентиляционных отводах срыв потока имеетменееярковыраженныйхарактер,чемприпримененииотводовпрямоугольной формы.В рассматриваемом диапазоне характерной разницы температур  0  40С , воздействие гравитационных сил практически не оказываетвлияния на направление движения потока воздуха, проходящего черезвентиляционныйотвод,вследствиеихмалостипосравнениюсцентробежными силами (Рисунок 39).Рисунок 39 – Схема движения потоков воздуха в вентиляционномотводе: а) горизонтальный нагрев вентиляционного канала, б)горизонтальный нагрев вентиляционного канала совместно с отводомПри нагреве горизонтального участка совместно с вентиляционнымотводом (Таблица 4, п.

4, Рисунок 40), центробежные силы, возникающиепри криволинейном течении, и гравитационные силы, обусловленные74неравномерностью температурного распределения по сечению каналаприводит к развитию вторичных течений [89].Рисунок 40 – Схема системы вентиляции с тепловым побуждениемдвижения воздуха с горизонтальным нагревом вытяжного канала совместно сотводомВозникающие вторичные течения могут оказывать существенноевлияние на форму профилей скоростей и температуры (Рисунок 41).Рисунок 41 – Профили скоростей в расчетных сечениях при   10С :а) горизонтальный нагрев вентиляционного канала, б) горизонтальныйнагрев вентиляционного канала совместно с отводом75Различия в профилях скорости, возникающих в расчетных сечениях 3,4, 5, 6, 7 обуславливаются исключительно различием в средних скоростяхпотока: при нагреве горизонтальной части канала совместно с отводомскорость будет выше, за счет большей площади теплового источника(Рисунок 41).Рисунок 42 – График изменения осевой скорости потока (Vo , м/с) подлине горизонтального участка канала ( l , мм) при различной расчетнойразности температур ( ,  С) (горизонтальный нагрев вентиляционногоканала)Применение горизонтального нагрева позволяет обеспечить болееравномерное распределение температур, чем при нагреве нижней частиканала, вследствие чего осевая скорость в рассматриваемом случае будетвыше.

(Рисунок 42, Рисунок 43).76Рисунок 43 – График изменения осевой скорости потока (Vo , м/с) подлине горизонтального участка канала ( l , мм) при различной расчетнойразности температур ( ,  С) (горизонтальный нагрев вентиляционного каналасовместно с отводом)3.1.3 Вертикальный нагрев вентиляционного канала.Структура пристенного конвективного потока, формирующегося унагретой вертикальной стенки, достаточно сложна: его толщина по мереразвития вверх возрастает, начиная от нуля у основания греющейповерхности [67] (Рисунок 44).Рисунок 44 – Схема пристенного конвективного потока возле нагретойвертикальной поверхности, Tc - температура нагретой поверхности, ˚C; TВ температура окружающей среды, ˚C77В случаях, когда ширина вентиляционного канала значительно меньшеего высоты ( b << h ), пограничные слои развиваются на нижних концахпротивоположных нагретых поверхностей, и, затем, постепенно начинаютвзаимодействовать друг с другом на некотором расстоянии.

После слиянияпристенных слоев формируется полностью развитый конвективный поток(Рисунок 45).Рисунок 45 – Схема конвективного потока, формирующегося междунагретыми вертикальными пластинами ( b << h )В системах вентиляции с тепловым побуждением движения воздухапривертикальномнагревепроисходит при соотношениивзаимодействиеконвективныхпотоковh 20 .bВ данном случае, слияние пристенных слоев вызывает неустойчивостьтечения, что обусловлено перекрестным взаимодействием конвективныхструй, развивающихся вдоль четырех нагретых стенок.

На Рисунке 46представлены изолинии скорости при вертикальном нагреве канала с учетомразличной конфигурации вентиляционного спутника (Таблица 5).78Таблица 5 -Геометрические характеристики расчетных систем свертикальным нагревом вентиляционного каналаПри соотношенииh 20 , пристенные слои воздуха не достигают другbдруга (за исключением внутренних углов вентиляционного канала), такимобразом, естественный конвективный поток, развивающийся вдоль нагретойстенки не подвержен влиянию противоположной поверхности.79Рисунок 46 – Изолинии скорости воздушного потока при вертикальномнагреве канала для различных конфигураций (а, б, в) спутникавентиляционной системыБлагоприятные условия для осуществления естественной вентиляцииимеютсятолькоприламинарномрежиме,когдагоризонтальныесоставляющие скорости в канале невелики [1].

Следовательно, необходимоисключитьвозможновзаимодействиепридлинепристенныхвертикальногоконвективныхучасткаh2потоков,мичтосеченииa  b  150  150 мм.На Рисунке 47 представлены профили скоростей при вертикальномнагреве вентиляционного канала совместно с отводом (Таблица 4, п. 6) и безнего (Таблица 4, п. 5). Горизонтальными и вертикальными линиямиотмечены расчетные сечения. Шаг сечений по вертикали составляет 500 мм,при построении графиков на Рисунках 28 и 29 в качестве нулевой отметкивыбрано начало вертикального участка воздуховода.80Рисунок 47 – Профили скоростей в расчетных сечениях при   10С :а) вертикальный нагрев вентиляционного канала, б) вертикальный нагреввентиляционного канала совместно с отводомРазвитие конвективных струй вдоль нагретых стенок 1 и 2 происходитнесимметрично (Рисунок 47).

Скорость в сечениях 5, 6 и 7 у стенки 1превышает скорость течения у стенки 2.Данное явление связано с тем, что в сечениях 3 и 4 происходитотклонениевоздушногопотокакстенке2вследствиевлияниявентиляционного отвода.За счет данного фактора, прогрев пристенных слоев воздуха у стенки 1происходит более интенсивно, и, следовательно, конвективный потокразвивается быстрее.В случае нарушения ламинарного течения каким-либо местнымсопротивлением, потоку необходимо пройти некоторое расстояние, преждечем произойдет восстановление исходного профиля скоростей. Согласно [90]длину участка стабилизации lст , м, можно найти, используя следующуюформулу:81lст  0,69  Re0,23  dПривычислениибезразмерных(3.6)критериевтепловыхигидродинамических процессов при решении внутренних задач свободнойконвекции,всефизическиехарактеристикипотокарекомендуетсяпринимать, используя среднюю расчетную температуру [91]:Tср Tк  Tв, С2(3.7)Критерий Рейнольдса определяется по формуле [92]:Re V d(3.8)V - скорость движения потока воздуха, м/с;d - эквивалентный диаметр канала, м; - коэффициент кинематической вязкости, м2/с.Рассчитанные длины участков стабилизации представлены в Таблице 5.Таблица 6 – Результаты расчета длины стабилизации воздушногопотокаВертикальный нагрев вентиляционного каналаРасчетная разница температур,  ,  СДлина участка стабилизации, lст , м100,66200,70300,72400,74Вертикальный нагрев вентиляционного канала совместно с отводом100,69200,74300,76400,77Исходя из полученных значений, представленных в Таблице 6, можносделать вывод, что начиная с сечения 4 до сечения 5, происходит82постепенная стабилизация потока после вентиляционного отвода (Рисунок33).Рисунок 48 – График изменения осевой скорости потока (Vo , м/с) по длиневертикального участка канала ( l , мм) при различной расчетной разноститемператур (  ,  С) (вертикальный нагрев вентиляционного канала)На Рисунках 48 и 49 участки стабилизации течения воздушного потокаотмечены горизонтальными линиями.Рисунок 49 – График изменения осевой скорости потока (Vo , м/с) по длиневертикального участка канала ( l , мм) при различной расчетной разноститемператур (  ,  С) (вертикальный нагрев вентиляционного канала совместнос отводом)83Привертикальномнагревевентиляционногоканалаколебаниявеличины осевой скорости заметно увеличиваются с повышением расчетнойразности температур.

В случае вертикального нагрева вентиляционногоканала совместно с отводом изменение осевой скорости имеет более плавныйхарактер.Рисунок 50 – График изменения осевой скорости потока (Vo , м/с) подлине горизонтального участка канала ( l , мм) при различной расчетнойразности температур ( ,  С) (вертикальный нагрев вентиляционного канала)Применение вертикального нагрева вентиляционного канала совместнос отводом (Рисунок 51) и без него (Рисунок 50) позволяет обеспечитьплавное изменение осевой скорости по длине горизонтального участка.Рисунок 51 – График изменения осевой скорости потока (Vo , м/с) подлине горизонтального участка канала ( l , мм) при различной расчетнойразности температур ( ,  С) (вертикальный нагрев вентиляционного каналасовместно с отводом)84Вертикальный нагрев вентиляционного канала совместно с отводомпозволяет обеспечить более высокую скорость вытяжного воздуха, чем приприменении вертикального и горизонтального нагрева, таким образом,создавая наибольшее тепловое побуждение.3.1.4 Нагрев всех стенок вентиляционного канала.Для систем с нагревом всех стенок вентиляционного канала (Таблица 4,п.

7), скорость в контрольных сечениях 5, 6 и 7 имеет менее выраженныйседлообразный характер, чем при применении вертикального нагрева(Рисунок 52). Это явление связано с тем, что прогрев основного потокавоздуха в данном случае происходит более интенсивно.Рисунок 52 – Профили скоростей в расчетных сечениях при   10СВ Таблице 7 представлены результаты расчета длины участкастабилизации при нагреве всех стенок вентиляционного канала (Таблица 4, п.7).

Выравнивание течения воздушного потока происходит между сечениями4 и 5.85Таблица 7 – Результаты расчета длины стабилизации воздушногопотока при нагреве всех стенок вентиляционного каналаРасчетная разница температур,  ,  СДлина участка стабилизации, lст , м100,71200,75300,78400,79Характер изменения осевой скорости на участке стабилизации(Рисунок 53) аналогичен случаю вертикального нагрева совместно с отводом(Рисунок 49).

Однако при нагреве всех стенок вентиляционного каналадиапазон колебания скорости между 3 и 4 сечением выше, чем в предыдущемварианте, что особенное заметно при увеличении расчетной разноститемператур.На Рисунке 53 отмечены длины участков стабилизации течения приразличной расчетной разности температур.Рисунок 53 – График изменения осевой скорости потока (Vo , м/с) подлине вертикального участка канала ( l , мм) при различной расчетнойразности температур ( ,  С) (нагрев всех стенок вентиляционного канала)86Рисунок 54 – График изменения осевой скорости потока (Vo , м/с) подлине горизонтального участка канала ( l , мм) при различной расчетнойразности температур ( ,  С) (нагрев всех стенок вентиляционного канала)3.2 Выбор конструктивных параметров и месторасположениянагрева вентиляционного канала.Рекомендуемая скорость в спутниках систем естественной вентиляциижилых зданий составляет 0,5-1 м/с [18].