автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Исследование боковой односторонней воздушной завесы без подогрева воздуха

На правах рукописи

Тюменцев Владимир Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ БОКОВОЙ ОДНОСТОРОННЕЙ ВОЗДУШНОЙ ЗАВЕСЫ БЕЗ ПОДОГРЕВА ВОЗДУХА

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 2004

Работа выполнена в Иркутском государственном техническом университете на кафедре «Теплогазоснабжение, вентиляция и охрана воздушного бассейна

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Степанов Владимир Сергеезич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Калашников Михаил Петрович

кандидат технических наук, доцент

Съемщиков Сергей Евгеньевич

Ведущая организация: ОАО «Иркутскораэкданпроект»

Защита состоится 22 декабря 2004 г. в 12 часов в конференц-зале (корп. К) на заседании диссертационного Совета К 212.073.01 при Иркутском государственном техническом университете по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

Автореферат разослан 20 ноября 2004 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат технических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Обеспеченность параметров микроклимата в производственных помещениях существенно влияет не только на работоспособность и самочувствие человека, но в ряде случаев является решающим фактором стабильного технологического цикла с максимальной производительностью труда. Протяженные, иногда на десятки метров, многотонные технологические линии, зачастую импортного производства, не приносят ожидаемой выгоды, если нарушаются требования, прежде всего к равномерности температурных полей внутреннего воздуха. Между тем, огромное количество холодного атмосферного воздуха поступает в помещение через ворота и технологические проемы и в значительной мере дестабилизирует тепловой режим. Применение воздушно-тепловых завес (ВТЗ) приводит к серьезному увеличению потребления тепловой энергии. Так для современного цеха по переработке древесины, где благодаря соблюдению требований СНиП П-3-79* «Строительная теплотехника» к ограждающим конструкциям, потребности тепла на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения составляют около 450 кВт, те же потребности на теплоснабжение калориферов ВТЗ - приблизительно 1300 кВт. При таком соотношении нагрузок, учитывая огромные масштабы потребления энергоресурсов системами обеспечения микроклимата, вполне логичной задачей становится изыскание возможностей для экономии тепла на установки ВТЗ.

Успешным решением этой задачи можно считать применение воздушных завес циркуляционного типа без подогрева воздуха. Проходящая через проем ворот смесь наружного воздуха и струи завесы направляется с помощью цилиндрического перфорированного отсоса вдоль наружной стены в верхнюю зону, где она успевает прогреться, прежде чем попадет в рабочую зону. Конструкция создана на основе использования эффекта Коанда: всякая турбулентная струя, истекающая вблизи какой-либо поверхности, будет испытывать влияние этой поверхности. Налипание потока проходящего через проем воздуха на перфорированную поверхность, на которой создается разряжение в результате отсоса воздуха и обеспечивает нужное отклонение. Однако область применения циркуляционных завес распространяется преимущественно на промышленные цеха со значительными теплоизбытками.

Следует отметить, что применяемые воздушно-тепловые завесы для ворот и проемов промышленных зданий в большинстве своем относятся к завесам шиберующего

типа. При этом эффект полного шиберования подразумевается не в аэродинамическом смысле, а в смысле некоего тепловоздушного замка.

Попытки реализации воздушной завесы на основе полного перекрывания проема плоской струей предпринимались и ранее. К сожалению достоверных сведений о шиберующей способности этих завес не имеется.

Поэтому исследование этого вопроса является весьма важной задачей и представляет научный и практический интерес.

Целью работы является исследование плоской изотермической струи развивающейся в районе проема ворот с учетом перепада давлений по обеим ее сторонам и возможности полного шиберования проема. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Получить аналитические уравнения, описывающие траекторию струи, изгибающуюся под действием перепада давлений, и основные ее характеристики.

2. Разработать математическую модель условий полного шиберования проема ворот.

3. Разработать математическую модель численного эксперимента по изучению двухмерного течения воздуха в районе ворот на базе к-е модели турбулентности для стационарных и нестационарных условий уравнений Рейнольдса.

4. Осуществить физическое моделирование работы воздушной завесы.

Методы исследования: интегральный метод Эйлера, теория разностного моделирования течений жидкостей и газов, теория экспериментальных исследований .

Научная новизна работы

1. Получено уравнение траектории плоской изотермической струи, развивающейся при перепаде давлений по обеим ее сторонам, с использованием теоремы о количестве движения в проекциях на оси координат с учетом изменения количества движения в различных сечениях;

2. Определены основные характеристики этих струй и возможности шиберования проема ворот промышленного здания при стационарном режиме движения;

3. Для рассматриваемого течения получено численное решение уравнений Рейнольдса с замыкающими уравнениями на базе к-е модели турбулентности с использованием программного комплекса Star SD при соответствующих граничных условиях;

4. Установлены характеристики автоколебаний струи воздушной завесы;

5. Обосновано заключение о шиберующей способности воздушной завесы.

Практическая ценность:

- полученные зависимости для струй, искривленных под действием перепада давлений по обеим ее сторонам, могут использоваться при создании местных отсосов в виде воздушно-струйных укрытий;

- полученные численные решения для воздушных завес позволяют более полно представить качественную и количественную картину возникающих потоков при взаимодействии приточной струи, всасывающего проема и граничных поверхностей, что обеспечивает объективный выбор конструктивных решений;

- в результате применения программного комплекса Star SD осуществлено его дополнительное тестирование, пополнился круг адекватно решаемых на его основе задач;

- теоретические и практические результаты исследования используются для специальных дисциплин при обучении студентов ИрГТУ.

Публикации

По материалам диссертации опубликованы 7 печатных работ.

Апробация работы

Основные материалы исследований доложены и обсуждены на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московского текстильного института (МТИ) (1985, 1986гг.), заседании кафедры промэнергетики МТИ (1987г.), семинаре Московского дома научно-технической пропаганды (МДНТП) «Оздоровление воздушной среды машиностроительных предприятий» (1987г.), научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов Восточно-Сибирского государственного технологического университета (2004г.), конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Иркутского государственного технического университета (2002,2003гг.).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 93 наименований. Общий объем работы - 102 стр., в том числе 34 рисунка, 5 таблиц, 3 приложения.

Основное содержание работы Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследования, отмечена научная новизна, практическая значимость и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу современного состояния вопросов взаимодействия струй со сносящим потоком воздуха, эффективности защиты проемов в зданиях воздушными завесами.

В разработку теорий турбулентных струйных течений значительный вклад внесли Г.Н.Абрамович, А.С.Гиневский, Л.А.Вулис, В.ПКашкаров, Л.Г.Лойцянский, МИХримитлин, В.Н.Талиев, И.А.Шепелев, В.И.Полушкина и др. Исследованиям струй, обеспечивающих защиту проемов от проходящих потоков, значительное внимание уделено в работах В.В.Батурина и И.А.Шепелева, СЕ Бутакова и В.Д Столера, В.М.Эльтермана, Г.Т.Татарчук, А.Г.Сычева, В.ПЛитова, Э.В.Сазонова, МС.Кузьмина, И.Ф.Ромейко и др.

Теоретические и экспериментальные исследования по воздушным завесам можно подразделить на две группы: работы, где изучается траектория воздушной струи; работы, рассматривающие завесу как шибер, уменьшающий количество проходящего через проем воздуха. Рекомендованные зависимости исходят, как правило, из условия взаимодействия струи и безграничного плоско-параллельного потока В работах не отрицается возможность полного шиберования проемов струями завес, но вместе с тем не предполагается широко их использовать.

Вторая глава посвящена вопросам аналитического определения траектории струи боковой воздушной завесы, основных ее характеристик и условий полного шиберования проема ворот. Применение классического метода Эйлера определяет необходимость допущений: процесс полагается стационарным; течение принять плоским, пренебрегая возможными эффектами трехмерности; изменения плотности вследствие сжимаемости газа Др=0.

Пусть из плоского сопла шириной Ъа вытекает струя со скоростью У0 под углом в0 к плоскости ворот (рис. 1).- Ось струи под действием разности давлений искривляется в сторону ворот, так как атмосферное давление ра больше давления в здании р.

I В X] х2 X

х*Р

Р

Рис.2.1. К выводу уравнения траектории струи Выделим на оси струи произвольную точку А с координатами х и у. Пусть в этой точке скорость равна У, а угол наклона к оси х будет в. Проекции скорости на оси координат УхяУу. Очевидно, для оси струи справедливо Лу (¡у/Л V

Слева и сверху от контура АВОС будет действовать давление рт а снизу и справа -давление р. Перепад же давлений составит &р = р„ -р.

Уравнение количества движения в проекциях на ось ординат будет -хАр = К8т® - АГойи0о. Заменяя К и Ко, получим -хАр = к2/?/»К25/л©-/жоКо2Л'п0о.

рвцУ^Ш-хДр кг ррвУ

Уравнение количества движения в проекциях на ось абсцисс будет уАр = КСоз® - КаСо*®а

Отсюда V. = Подставляем в (1) скорости Уу и V* согласно

кгРрвУ у

ду\ах = {рв0У^1п&0 - х&р)/{рвХСо5&0 + уАр)

Интегрируя это уравнение от 0 до у и до х, будем иметь

рв0У02уСо*е0 +0.5у7Ар = /ж0К02хйл@0 -0.5х!До

Учитывая, что УБгпв = Уу, приходим к виду У, =- 2

Разделим все члены этого равенства на ¿>/ и введем безразмерную величину

pV2

—— = а. Тогда последнее равенство можно представить в виде АР

у2 + 2ayCos@„ -x(2aSin&0-х)= О, Решая данное квадратное равенство, получаем уравнение траектории оси плоской изотермической струи, развивающейся при различных давлениях по обеим ее сторонам в

виде у = -aCos&„ ± -Ja2Cos2&0 +x\¿aSin&<) -х). (2)

Знак перед радикалом должен быть плюс, так как для завесы Дальнобойность струи, т. е. расстояние, при котором ось струи пересечет ось х, определим, положив у = 0. Имеем xfeaSin&a - дс) = 0 .Отсюда х, = 0, хг= 2aSin®a.

Приняв у ~dyjdx = 0, можно определить координаты точки максимального изгиба оси струи: х} = aSin&„ утгх = e(l - Cos&0).

Очевидно, что плоскость ворот перекрывается струей при условии х2 -АВ ¿ В, где

ДВ = Ъж /2 -sin®,. Известно, 4to¿/í = y¡(dx)2 +(dy)2 = +y'2dx и, подставив значение производной, затем, проинтегрировав, получим s = а[©0 -arcsin(sin®0 -х/а )]. После подстановок b, =0,44j, при х = хг получим 2а-sin®,, - 0.44а •©„/sin ©„ = В или а = 0,5В ■ sin ©„ /(sin 2 ® „ — 0,22© 0), что позволяет вычислить скорость потока на выходе из канала воздушной завесы, обеспечивающую шиберование проема ворот.

В третьей главе приводятся результаты численного решения задачи о развитии струи в зоне проема ворот, базирующегося на описании номинально стационарных (т.е. при отсутствии внешних источников нестационарности) турбулентных течений в рамках нестационарных уравнений Рейнольдса. В качестве инструмента для решения этой задачи используется коммерческий пакет Star CD*.

Течение вязкой несжимаемой ньютоновской жидкости описывается уравнениями Рейнольдса:

div = 0

* Автор выражает искреннюю признательность кафедре «Кондиционирование воздуха» Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий, лично ДМ. Дснисихиной за оказанное содействие на этом этапе работы.

Р = -grad (р >+ div [t (v (Г))- т т ]

Содержащиеся в Star-CD версии квадратичных моделей турбулентности базируются на следующих реологических соотношениях, описывающих связь между тензором рейнольдсовых напряжений и параметрами осредненного движения

(«;«;>_ 2 (fitduk

з[ к dxt +р

\я _El с j.г О-

+С2—[рдЗф + +Q;i5fa-]+ +С3 —

I

е " ' е

Для замыкания системы используются уравнения переноса:

г'г'н

для к

1 д

4sdt

ОХ я

dxj

пч 2, 5м, „

1 В , Г- . д 4gp£ ) +

д ля £

Vi7

Эх,

= Се 1-к

—О",—-+pk)—L

И' 3 ' ctc, ¿kf

£2 f - Свгр—+СвАрб-^+Са1 ^

Турбулентная вязкость выражается через Лиг соотношением . 2

= /л

Приведенные уравнения содержат константы и комплексы, принимаемые в соответствии с рекомендациями Star-CD с учетом характера задачи.

Граничные условия На поверхностях проема ворот задавалось условие прилипания и непроницания для скорости. В месте выпуска струи задавалась скорость J V j. На свободных границах - условие по давлению.

Разностные схемы,

использованные при расчете: MARS (второго порядка точности) - по пространственным переменным и UD (первый порядок точности) -для турбулентной энергии и диссипации турбулентной энергии. Вариант расчетной сетки приведен на рис.2.

В качестве варианта был выношен расчет стационарного режима течения На рис.3 приведены результаты расчета поля скоростей в проеме ворог шириной Зм при начальной скорости струи завесы Уо=25 м/с с углом 0о=ЗОо и щелевым патрубком Ьо= 100мм. Перепад давлений ЛР=5Па. При этом струя завесы полностью перекрывает проем ворот, что совпадает с результатами, полученными в главе 2.

velocrty magnitude mis

time- 3.80004

Lx

Рис 3. Поле скоростей при стационарных условиях расчета

Рис.2. Расчетная сетка

Далее расчет выполнялся для условий нестационарного режима. Шаг по времени был принят равным 0,005с. Установлено наличие автоколебательного цикла с периодом Т=0,6сек. На рис.4 и 5 представлены изменения составляющих скорости Ух и Уу в точке, расположенной в районе присоединения массы струи к зданию после ворот, от времени.

16200 16400 16600 16800 «7000 17200 N of time step

Рис. 4. Изменение Ух (С/)от времени.

N о( Ите йер Рис. 5. Изменение Уу от времени.

На рис.6 представлена динамика поля скоростей в районе проема с интервалом 0,15

сек.

®

PROSTAR 310

18-Feb-03 VEL COMP UV M/S

TIME- 839380 LOCAL MX- 27« LOCAL MN- 00000

27 70

- 25 72

- 2374

21 78

- 13 73

- 1781

1563 1385 11 87 3 833

- 7 314

- 5 336

- 3 357

- 1 379

- -0 7153E-08

L,

PROSTARaiO

I0-Feb-O3 VEL COMP UV M/S

TIME- 93613Z LOCAL MX- 27 3B LOCAL MN-00000

27 70

~ 25 72

~ 23 74

~ 21 76

~ 1Í73

~ 1781

~ 1583

~ 138S

" 1187

" 9 833

~ 7314

- 5 936

- 3 357 " 1373

- -0 7153E-08

Рис 6. Динамика картины течения плоской струи в проеме ворот

Рис.7 и рис. 8 дают представление о картине осредненного по одному периоду колебаний течения в проеме ворот.

Рис.8. Поле составляющей V осредненного течения Анализируя полученные данные, можно констатировать следующее. Применение стационарных уравнений Рейнольдса, независимо от используемой модели турбулентности,

приводит к недопустимо большим погрешностям и к качественно неверным результатам. Это связано с наличием в отрывных потоках крупномасштабных принципиально нестационарных вихревых структур, параметры которых существенно зависят от конкретной геометрии течения и граничных условий и, в связи с этим, не могут быть правильно рассчитаны в рамках стационарных уравнений Рейнольдса с использованием моделей турбулентности, «настроенных» на относительно простые и «универсальные» турбулентные сдвиговые течения (пристенные пограничные слои, свободные струи, слои смешения)

Поэтому, исходя из условий данного течения, которое может рассматриваться лишь как номинально стационарное (т.е. при отсутствии внешних источников нестационарности), следует полагаться на нестационарные уравнения Рейнольдса.

Выполненные на этой основе расчеты дают возможность установить автоколебательный характер развития струи завесы в проеме ворот. При этом существуют периоды, когда струя полностью пшберует проем (рис.ба), но также существуют периоды, когда она всей массой поступает во внутрь здания (рисбв) или делится на две части, из которых одна поступает через проем в здание, а вторая —наружу (рис.66 и рис.бг). При этом, чем больше расход в струе, тем большее количество воздушных масс струи проходит через проем. Таким образом, говорить о пгаберовании проема ворот воздушной струей неподогретого воздуха не представляется возможным.

Четвертая глава посвящена физическому моделированию условий развития плоской изотермической струи, развивающейся в проеме ворот. В затопленных турбулентных изотермических струях, образующихся при истечении из воздуховыпускной щели завесы, когда влиянием сил тяжести можно пренебречь единственным определяющим критерием является критерий Рейнольдса, который и

описывает условия моделирования: Re= idem.

Исследования проводились на установке, схема которой представлена на рис. 9. Принятый масштаб моделирования составлял 1:10.Ширина щелевого патрубка в модели менялась bo =7,5-И 5мм, размеры проема ВхН=300х300мм, угол между направлением выпуска струи и плоскостью ворот &(г30*45°. Начальная скорость струи варьировалась в пределах Vo~ 1(И-25м/с. Перепад давлений в опытах составлял ДР=5+10Па.

В экспериментах определялось поле скоростей в зоне действия воздушной завесы. Для проведения измерений использовались: термоанемометр ТА-9, скоростные трубки и аэродинамические крючки, микроманометры ММН-240, микроманометр

компенсационного типа, барометр. Схема экспериментальной установки приведена на рис.9.

Рис.9. Схема экспериментальной установки 1 -камера разряжения; 2 - проем ворот; 3 -канал воздушной завесы с щелевым патрубком; 4 - козырек над проемом; 5 - труба Вентури; 6- вентилятор завесы; 7-вентилятор камеры разряжения 8 -термоанемометр ТА-9; 9 -датчик термоанемометра; 10 -трехосевой координатник; 11 -микроманометр компенсационного типа; 12 микроманометр ММН-220; 13 - шибер.

Измерения проводились по всей ширине проема в плоскостях, перпендикулярных плоскости проема. Количество точек измерения в каждой плоскости определялось 'границами струи в данном сечении. В качестве границ принимались крайние точки сечений, где измеренные скорости достигали значения ^р=0,5м/с. Для обеспечения необходимой точности полученных результатов определялось минимально необходимое число повторных измерений. С учетом возможности появления «грубых» ошибок, критерия Стыодента при 95% доверительной вероятности оно было принято

равным 3.

Построенные в результате экспериментов поля скоростей дают основания считать, что при дальнобойности струи уравнение (2) удовлетворительно описывает

траекторию оси плоской изотермической струи, искривленной под действием перепада давлений. Однако,, полное шиберование проема ворот не происходит, что вполне согласуется с результатами численного эксперимента. К сожалению, оборудование физического эксперимента не позволило обнаружить автоколебательные характеристики процесса. Тем не менее, картина осредненного по времени течения вполне убедительно совпадает с результатами экспериментальных полей скорости.

Основные выводы

1. Разработаны математические модели поведения плоской изотермической струи воздушной завесы в проеме ворот на базе интегрального метода Эйлера с учетом изменения количества движения в различных сечениях и уравнений Рейнольдса с замыкающими уравнениями на базе модели турбулентности.

2. Исследование процесса шиберования с помощью математической модели на базе интегрального метода Эйлера показало, что проем ворот перекрывается струей воздушной

завесы при условии

3. Исследование процесса шиберования на математической модели на базе стационарных уравнений Рейнольдса также показало возможность выполнения этого эффекта.

4. Математическая модель на базе нестационарных уравнений Рейнольдса, способная описывать крупномасштабные нестационарные вихревые структуры, обнаружила автоколебательный процесс развития плоской струи в проеме ворот. На основании полученных численных решений, подтвержденных экспериментальными исследованиями, установлено, что полное шиберование проема ворот невозможно.

5. Результаты исследования могут быть использованы при проведении энергоаудита па предприятиях, выборе проектных решений, в учебном процессе.

Условные обозначения

Ьа У„ в0 - начальные ширина щелевого патрубка, скорость истечения струи и угол наклона оси струи к плоскости проема;

V, Ух, Уу - скорость и ее проекции на оси координат;

К я Ко - секундные количества движения, проходящие через поперечные сечения струи в точке А и в ее начале;

к - коэффициент поля скорости в поперечном сечении струи;

Р— коэффициент Буссинеска; Р„ ~ Р " перепад давлений;

— х — у

х = —, у = — - безразмерные координаты; К ьч

рУ2

а = —- безразмерный комплекс; йр

хг = 2а5г>г0о - дальнобойность струи;

— в - ДВ — 6

В = —,ДВ = —— ,6, = т5- - относительные ширина проема, расстояние от оси струи Ь„ ¿0 "о

в точке ее пересечения с линией у=0 до края проема, ширина струи в этой точке; тт-тензор напряжений Рейнольдса; к - кинетическая энергия турбулентности; е - диссипация турбулентной энергии;

f^'ejf - эффективная вязкость, динамическая вязкость и

турбулентная вязкость соответственно;

и £2у — тензоры скоростей деформаций и завихренности;

£ _ _ £> ___

(СЛХ6 + СМ.7

п _ _^М.3_ /-> _

л

(СМ6 + СМ1Б3)СМ ; ' + А3П >А°-А'-А>- эмпирические

коэффициенты.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах*

1.Тюменцев В. А. Моделирование работы воздушной завесы./ Московский текстильный институт. - М., 1986 - 4с. -Деп. в МТИ 29.04.86, №111-ЖКД-86.

2.Талиев В.Н., Тюменцев В.А. Уравнение оси изотермической плоской струи, развивающейся при различном давлении по обеим ее сторонам // Известия вузов. Технология текстильной промьплленности.-1988,№5,с.82-84.

3.Талиев В.Н., Тюменцев В.А. Расчет наружной односторонней боковой завесы у ворот // Известия вузов. Технология текстильной промышленности.-1988,№6,с.87-89.

4. Тюменцев В.А. Расчет изотермической плоской струи, искривленной под действием перепада давлений // Оздоровление воздушной среды машиностроительных предприятий: Материалы семинара МДНТП, -М.; 1987, с.53-55.

5.МоревАА., Аксаментов В.А., Тюменцев В.А. Воздушная завеса без подогрева воздуха // Информационный листок №89-50 от 17.10.89.,г.Иркутск, 2 с

* В период с 1983г. по 1987г. работа выполнялась под руководством доктора технических наук, профессора Талиева Валериана Николаевича.

6.Тюменцев В.А. Отопление и вентиляция промышленных и общественных зданий //Методические указания по выполнению дипломного проекта для студентов специальности 290700 - теплогазоснабжение и вентиляция. - Иркутск, ИрГТУ, 2003. -19с.

7.Шелехов И.Ю., Степанов B.C., Тюменцев В.А., Денисихина Д.М. Воздушно-тепловая завеса. //Патент на полезную модель №38903. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей Российской Федерации 10 июля 2004г.

»24360

Введение.

Глава 1. Обзор работ по воздушным завесам.

1.1. Общие сведения.

1.2. Воздушные струи в сносящем потоке.

1.3. Воздушные струи, развивающиеся при перепаде давлений

1.4. Современные методы расчета воздушных завес различного назначения.

1.5. Выводы.

Глава 2. Аналитическое исследование плоской изотермической струи боковой воздушной завесы.

2.1.Исходные положения. Схема струи.

2. 2. Уравнение оси плоской изотермической струи, искривленной перепадом давлений на ее границах.

2. 3. Дальнобойность и наибольший вылет струи.

2.4. Безразмерные зависимости между геометрическими и физическими характеристиками.

2.5. Шиберование проема ворот струей воздушной завесы.

Глава 3. Численное моделирование струи воздушной завесы

3.1. Описание турбулентных течений.

3.2. Краткая характеристика пакета прикладных программ Star-CD применительно к рассматриваемой задаче.

3.2.1. Реологические соотношения моделей турбулентности.

3.2.2. Дискретизация задачи и методы решения разностных уравнений.

3.3. Результаты исследований.

Глава 4. Физическое моделирование воздушной завесы.

4.1. О моделировании изотермических струй.

4.2. Цели и задачи исследования.

4.3. Экспериментальная установка. Измерительные приборы.

4.4. Методика испытаний. Обработка данных.

4.5. Обсуждение результатов.

Обеспеченность параметров микроклимата в производственных зданиях существенным образом определяет санитарно-гигиенические условия, социальные гарантии для людей на рабочих местах, а также в ряде случаев является решающим фактором стабильного технологического цикла с максимальной производительностью труда. Протяженные, иногда на десятки метров, многотонные технологические линии, зачастую импортного производства, не выходят на номинальные рабочие режимы и как следствие не приносят ожидаемой выгоды, если нарушаются требования, прежде всего к равномерности температурных полей внутреннего воздуха. Одним из наиболее существенных факторов, воздействующих на стабильность и равномерность температурных и скоростных полей в обслуживаемых помещениях является поступление холодного наружного воздуха через открывающиеся проемы ворот или технологические отверстия. Применение воздушно-тепловых завес (ВТЗ) приводит к серьезному увеличению потребления тепловой энергии. Так для современного цеха по переработке древесины, где благодаря соблюдению требований СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника» к ограждающим конструкциям, потребности тепла на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения составляют около 450 кВт, те же потребности на теплоснабжение калориферов ВТЗ — приблизительно 1300 кВт. При таком соотношении нагрузок, учитывая огромные масштабы потребления энергоресурсов системами обеспечения микроклимата, вполне логичной задачей становится изыскание возможностей для экономии тепла на установки ВТЗ.

Следует отметить, что применяемые воздушно-тепловые завесы для ворот и проемов промышленных зданий в большинстве своем относятся к завесам шиберующего типа. При этом эффект полного шиберования подразумевается не в аэродинамическом смысле, а в смысле некоего тепловоз-душного замка.

В случае реализации возможности аэродинамического шиберования необходимости в подогреве струи воздушной завесы нет. Тогда воздух для завесы может забираться не из помещения, а из атмосферы, что уменьшает степень воздействия завесы на воздушный режим здания. При этом сама конструкция завесы выносится за пределы обогреваемых производственных площадей. Наружный воздух в завесе, обладая большей, чем внутренний плотностью, повышает динамические характеристики струи, увеличивая ее дальнобойность.

Попытки реализации воздушной завесы на основе полного перекрывания проема плоской струей атмосферного воздуха предпринимались и ранее. Получены авторские свидетельства на устройство завес по этому принципу, например, А.С. №983391 [1]. Шведская фирма Flakt поставляла потребителям воздушные завесы серии JABA с производительностью от 32000 до 53000 м3/час[74]. Завесы этого вида устанавливаются снаружи ворот и используют атмосферный воздух без подогрева. Помимо экономии тепловой энергии конструктивная реализация такой завесы может привести к значительному сокращению затрат на материалы и оборудование (см. приложение 1). К сожалению достоверных сведений о шиберующей способности этих завес не имеется.

Поэтому исследование этого вопроса является весьма важной задачей и представляет научный и практический интерес.

Целью работы является исследование характеристик плоской изотермической струи боковой односторонней завесы, развивающейся в районе проема ворот с учетом перепада давлений по обеим ее сторонам и возможности полного шиберования проема. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Получить аналитические уравнения, описывающие траекторию струи, изгибающуюся под действием перепада давлений, и основные ее характеристики.

2. Разработать математическую модель условий полного шиберова-ния проема ворот.

3. Разработать математическую модель численного эксперимента по изучению двухмерного течения воздуха в районе ворот на базе к-в модели турбулентности для стационарных и нестационарных условий уравнений Рейнольдса.

4. Осуществить физическое моделирование работы воздушной завесы.

Методы исследования: интегральный метод Эйлера, теория разностного моделирования течений жидкостей и газов, теория экспериментальных исследований .

Научную новизну составляют и на защиту выносятся:

1. Уравнение траектории плоской изотермической струи, развивающейся при перепаде давлений по обеим ее сторонам, с использованием теоремы о количестве движения в проекциях на оси координат с учетом изменения количества движения в различных сечениях;

2. Основные характеристики этих струй и условия шиберования проема ворот промышленного здания на базе метода Эйлера;

3. Численное решение уравнений Рейнольдса с замыкающими уравнениями на базе к-е модели турбулентности с использованием программного комплекса Star SD при соответствующих граничных условиях;

4. Новые научные результаты, отражающие характеристики автоколебаний струи воздушной завесы;

5. Заключение о шиберующей способности воздушной завесы.

Практическая ценность:

- полученные зависимости для струй, искривленных под действием перепада давлений по обеим ее сторонам, могут использоваться при создании местных отсосов в виде воздушно-струйных укрытий;

- полученные численные решения для воздушных завес позволяют более полно представить качественную и количественную картину возникающих потоков при взаимодействии приточной струи, всасывающего проема и граничных поверхностей, что обеспечивает объективный выбор конструктивных решений;

- в результате применения программного комплекса Star SD осуществлено его дополнительное тестирование, пополнился круг адекватно решаемых на его основе задач.

Публикации: по материалам диссертации опубликованы 7 печатных работ.

Апробация работы

Основные материалы исследований доложены и обсуждены на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московского текстильного института (МТИ) (1985, 1986гг.), заседании кафедры промэнергетики МТИ (1987г.), семинаре Московского дома научно-технической пропаганды (МДНТП) «Оздоровление воздушной среды машиностроительных предприятий» (1987г.), научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВосточноСибирского государственного технологического университета (2004г.), конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Иркутского государственного технического университета (2002, 2003 гг.).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 93 наименований. Общий объем работы - 102 стр., в том числе 34 рисунка, 5 таблиц, 3 приложения.

5. Результаты исследования могут быть использованы при выборе проектных решений, проведении энергоаудита па предприятиях, в учебном процессе.

89

Заключение

1. Разработаны математические модели поведения плоской изотермической струи воздушной завесы в проеме ворот на базе интегрального метода Эйлера с учетом изменения количества движения в различных сечениях и уравнений Рейнольдса с замыкающими уравнениями на базе k-s модели турбулентности.

2. Исследование процесса шиберования с помощью математической модели на базе интегрального метода Эйлера показало, что проем ворот перекрывается струей воздушной завесы при условии АР - 0,55-sin ®0/(sin ©0-0,2200^

3. Исследование процесса шиберования на математической модели на базе стационарных уравнений Рейнольдса также показало возможность выполнения этого эффекта.

4. Математическая модель на базе нестационарных уравнений Рейнольдса, способная описывать крупномасштабные нестационарные вихревые структуры, обнаружила автоколебательный процесс развития плоской струи в проеме ворот. На основании полученных численных решений, подтвержденных экспериментальными исследованиями, установлено, что полное шиберование проема ворот невозможно.

1. А.с. 983391. СССР, МКИ3 F 24 F 9/00. Воздушная завеса / Л.М. Мошкарнев, Н.В. Терехова (СССР). Опубл.23.12.82, Бюл. №47. -Зс.

2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Госэнергоиздат, 1953. -452с.

3. Абрамович Г.Н. Теория свободных струй и ее приложения // Труды ЦАГИ.- 1936. Вып.293. - С. 54-79.

4. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1980. - 582с.

5. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов // Труды ЦАГИ. 1940. - Вып.512. - С.22-35.

6. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. М.: Госэнергоиздат, 1948.-351 с.

7. Абрамович Г.Н., Голубева В.А., Макаров И.С., Майоров Л.Е. Теоретическое и экспериментальное исследование процессов смешения газовых потоков в элементах ВРД специальных схем // Технических отчет МАИ. М., 1972. 4.1. - 90с.; - 1974. 4.2 - 150с.

8. Акатнов Н.И. Круглая турбулентная струя в поперечном потоке // Изв. АН СССР. Сер. МЖГ. 1969. - №6. - С.102-125.

9. Арутюнов В.А., Перепелкин Ю.М. Исследование распространения плоской струи в камере. //Изв. Вузов. Черная металлургия. 1969. - №11. - С. 71-77

10. Ю.Батурин В.В. Проектирование воздушных завес. М.: Профиздат, 1941. -95с.

11. П.Батурин В.В., Шепелев И.А. Результаты использования воздушных завес. // Отопление и вентиляция. 1939. - №7. - С. 14-28.

12. Батурин В.В., Шепелев И.В. Воздушные завесы. // Отопление и вентиляция.- 1936.-№5.- С.24-32.

13. Батурин В.В., Эльтерман В.М. Аэрация промышленных зданий. М.: Госстройиздат, 1963. - 319 с.

14. М.Белов И.А., Исаев С.А., Коробков В.А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. JL: Судостроение, 1989. - 256 с.

15. Бутаков С.Е. Аэродинамика систем промышленной вентиляции М.: Произдат, 1949.-270с.

16. Бутаков С.Е., Столер В.Д. Воздушные завесы в горячих цехах — В кн. Вентиляция в металлургической промышленности. Под ред. В.А.Штромберга. М., 1968. - С. 145 -164.

17. Вахламов С.В. Расчет траектории струи в сносящем потоке // Инженерно-физический журнал. 1964, октябрь, т. 7. - №10. - С. 112-115.

18. Волынский М.С. О форме струи жидкости в газовом потоке. М.: Оборонгиз, 1958,- 152с.

19. Визель Я.М., Мостинский И.Л. Искривление струи в сносящем потоке. // ИФЖ. 1965, т VIII. - №2. - С.58-67.

20. Внутренние санитарно-технические устройства. Справочник проектировщика Под. ред. И.Г.Староверова. Изд. 3-е. 4.2. Вентиляция и кондиционирование воздуха.-В.Н.Богословский, И.А.Шепелев, В.М.Эльтерман и др.- М.: Стройиздат, 1978. 509с.

21. Гельман Н.А., Шепелев И.А. Формулы для расчета плоских турбулентных струй // В кн.: Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха в промышленных зданиях. Труды ЦНИИПромзданий. 1972. - вып. 26.- С. 52-62.

22. Гиршович Т.А. К расчету параметров плоских турбулентных струй в сносящем потоке // ИФЖ, т.ХХУ.- 1973.- №5.- С.32-39.

23. Гиршович Т.А. О веерной турбулентной струе сносящем потоке. И Изв. АН СССР. МЖГ. 1968.- №4. -С. 22-30.

24. Гиршович Т.А. Теоретическое и экспериментальное исследования плоской турбулентной струи в сносящем потоке // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа.- 1966. №1. - С. 121-126.

25. Горелов Ю.А., Висков А.И. Расчет скоростей и давления индуцируемых струй в сносящем потоке // Труды ЦАГИ. 1972. - вып.412. -С.124-137.

26. Гримитлин М.И. Моделирование и расчет воздухораспределительных устройств //В кн. Очистка промышленных выбросов и вопросы воздухораспределения. Сб. статей ВНИИОТ и ЛТИЦБП. JI. - 1969.- с.210-258.

27. Жукова Л.А., Маркова И.С., Худенко В.Г. Смешение плоско — параллельных турбулентных струй // Изв. вузов. Авиационная техника. — 1964.- №4. -С.85-97.

28. Иванов Ю.В. Плоская струя во внешнем поперечном потоке // Известия АН ЭССР. Таллин. - 1953.- т.Н.- №2.- С.33-68.

29. Иванов Ю.В. Экспериментальное исследование струй, развивающихся в потоке // В кн. Теория и расчет вентиляционных струй. М. - 1965.- С. 152171.

30. Иванов Ю.В. Эффективное сжигание надслойных горючих газов в топках. — Таллин: Эстиздат, 1959. -235с.

31. Исаева С.Е. Экспериментальное исследование интенсивности смешения плоской струи с поперечным потоком // 2-е межотраслевое совещание по теории и прикладным аспектом турбулентных течений. — Таллин: изд. АН ЭССР.- 1976.-С.39-30.

32. Календайте И.В., Залишауская М.П. Искривление плоской свободной струи при разных давлениях с обеих сторон // Сантехническое гидротехническое строительство. Основания и фундаменты. — Каунас. 1970. — С.51-53.

33. Лебедев Г.О. О взаимодействии двух одинаковых приточных неизотермических струй: Расчет систем вентиляции. / Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1981, №2, С. 86-89.

34. Ляховский Д.Н., Сыркин С.Н. Аэродинамика факела, вытекающего в среду другой плотности. // ЖТФ. Т.9.- 1939. -С.54-68.

35. Моор Л.Ф. Расчет воздушных завес промышленных зданий // НТИ ЦИНИС. 1968. - Вып.5. - с.47-55.

36. Палатник И.Б., Темирбаев Д.Ж. Закономерности распространения осесимметричной воздушной струи в сносящем однородном потоке // В кн.: Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики Алма-Ата - 1967.-Вып.4. -С.68-82.

37. Пилюшенко В.П. Анализ основных методов расчета вентиляционных струй // Техника, технология, организация и экономика строительства: Респ. межвед. сб. / Белорусский политехнический ин-т. — 1981. вып.7. - С. 97100.

38. Полушкин В.И. Универсальная интегральная характеристика турбулентных струй // Изв. вузов Т.Т.П. 1980. - № 4. - С. 66-69.

39. Поляков Е.И., Кузьмин М.С. Экспериментальное исследование струйной защиты пылегазовыделяющего оборудования. //Охрана труда и техника безопасности в черной металлургии. М.: «Металлургия». - 1973. - С. 18-34.

40. Проскура Г.Ф. Опытное изучение воздушной завесы // Технические новости. Бюл. НТУ ВСНУ УССР. 1929. - №31. - С.22-27.

41. Пшеничников A.JI. Плоская приточная струя, сносимая боковым потоком воздуха // В кн.: Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха в промышленных зданиях. Труды ЦНИИПромзданий. 1972. - вып. 26. - С. 65-69.

42. Ржевский Е.В., Костерин В. А. Экспериментальное исследование распространения веерных и парных плоских струй в поперечном потоке // Изв. Вузов. Авиационная техника. 1964. - №2. - С. 122-138.

43. Ромейко И.Ф., Щибраев Е.В. Экспериментальные исследования закономерностей развития плоских струй в ограниченном потоке воздуха //

44. Гидрогазодинамика. Межвузовский сборник КуАМ. 1974. - вып.2. — С. 58 -65.

45. Ромейко Н.С., Сыромятникова Н.Е., Щибраев Е.В. Расчет воздушных завес у печного проема с зонтом // Отопление и вентиляция. Сб .научн. работ КуИСИ . Куйбышев, 1976. - С.37-47.

46. Секундов А.И., Яковлевский О.В. Исследование взаимодействия струй с близко расположенными экранами. // Изв. АН СССР. Сер. Механика и машиностроение. 1964. - №1. - С. 98-105.

47. Соколова Н.М. Исследование воздушных вертикальных фонтанов, распространяющихся в сносящем потоке.: Автореферат дис. .канд. Техн. Наук, М., 1971.-20с.

48. Столер В.Д., Аликин П.Ф. Исследование аэродинамики некоторых типов воздушных завес // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1971. - №4. -С.53-58.

49. Столер В.Д., Биккуллин P.P., Пономорев Л.Н., Мозин Г.П. Деформация плоской турбулентной струи, развивающейся вблизи прямого угла // Оздоровление условия труда в горно рудной промышленности. - 1971. -№3. -С.8-19.

50. Сычев А.Г. К расчету воздушных завес // Водоснабжение и санитарная техника. 1974,. - №2. - С.44-49

51. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. М.: Стройиздат, 1979. - 295с.

52. Талиев В.Н. Зависимости для скорости на оси основного участка струй с неравномерным начальным полем скоростей // Водоснабжение и санитарная техника.-1982. -№11. С.11-12.

53. Талиев В.Н. Закономерности свободной неизотермической осесимметричной струи // Водоснабжение и санитарная техника. 1969. -№1. - С.33-38.

54. Татарчук Г.Т. Сравнительная оценка воздушно-тепловых завес по материалам исследований. // Материалы семинара «Воздушные струи и завесы.-М., 1971.-С.82-87.

55. Татарчук Г.Т. Уточненная методика расчета воздушных завес // В сб.Ютопление и вентиляция промышленных и с/х зданий. М. - 1966. -№16.- С.66-72.

56. Титов В.П. Расчет воздушных завес периодического действия // Материалы семинара «Воздушные струи и завесы». М. - 1971. — С.71-81.

57. Титов В.П. Особенности струй воздушных завес. // Тепловой режим систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха /Сб. трудов МИСИ. -М. 1980.-№177.-С.3-15.

58. Указания по расчету приточных воздухораспределительных устройств. Серия A3 358.- М.: Госстрой СССР. - 1968. - 58 с.

59. Уфимцев Г.А., Белотелов Л.Б. К расчету воздушных завес // Отопление и вентиляции. 1940. - №3. - С.44-48.

60. Худенко Б.Г. Деформация осей плоско параллельных струй при их взаимодействии // Изв. вузов. Авиационная техника. - 1966. - №2. — С.54-62.

61. Шандоров Г.С. Истечение из канала в неподвижную и движущуюся среду // ЖТФ. 1957. - т.27. - вып.1. -С.92-108.

62. Шандоров Г.С. Расчет оси струи в сносящем потоке // Известия ВУЗов. Авиационная техника. 1966. -№4. - С. 55-66.

63. Шенк X. Теория инженерных экспериментов. М.: «Мир», 1972. - 381 с.

64. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М., 1978,- 145 с.

65. Шепелев И.А. Затопленные струи, сносимые боковым потоком. Сб. Строительная теплофизика. Ин-т тепломассообмена АН СССР, М.-Л, - 1966. -С. 57-69.

66. Шепелев И.А. Основы расчета воздушных завес, приточных струй и пористых фильтров. — М.: Стройиздат, 1950. 150с.

67. Шепелев И.А. Приточные вентиляционные струи и воздушные фильтры. -М.: Изд. АС и А СССР, 1961. -183 с.

68. Эльтерман В.М. Воздушные завесы. М.: Машиностроение, 1966. - 164 с.

69. Эльтерман В.М., Сыромятникова Н.Е., Шелатонова Г.И. Воздушная завеса в канале // В кн.: Кондиционирование воздуха. М. 1983. - С110-120.

70. Эпштейн A.M. О форме оси турбулентной струи в неорганическом горизонтальном потоке // ИФЖ. 1965. -№4. - т.1Х. - С.45-54.

71. Яколевский О.В. Гипотеза об универсальности эжекционных свойств турбулентных струй газа и ее приложения // Известия Академии Наук СССР. Отделение Технических Наук./ Механика и машиностроение. 1961. -№3. - С.115-121

72. Air curtain unit JABA // Flakt ABB Ventilation Products Ab Company, Listing page.-V. 374-05.- 1983.-2p.

73. Bourgue C., Newman B.G. Reattachmeat of a Jwo dimensional Jn compressible Jet toa adjaceat Flaf Plate, "Geronantical Quarterly", 1960, v.l 1. p.322-345.

74. Chen, Y.S., and Kim, S.W. 1987. Computation of turbulent flows using an extended k-e turbulence closure modelT, NASA CR-179204. -p.55-82.

75. Dodds Dodds J. The Use of Suction of Blowing to Prevent Leparation of a Turbulent Boundry Layer, University of Cambridge, 1960. p. 87 — 102:

76. El Tahry, S.H. 1983. k-e equation for compressible reciprocating engine flowsT, AIAA J. Energy, 7, No. 4, p. 345-353.

77. Fosser R., Misra A.K., Mitchell D.G. A nobe on the Effect of Downsfream Pressure Pressure Prise on a Preotfached Jet. Ill Cranfiald Fluidics Conf., Jurin, 1968.-p. 141-172.

78. Keffer G.F., Baines W.D. The Round Turbulent Jet in a Cross wind. "Jornal of Fluid Mech.", London, v.15, 1963, p.47 59.

79. Landis F, Shapiro A.H. The Turbulent Mixing of Coaxibl Gas Jets. Heat transfer and Fluid Mechanics, Institute, Stanford, Corif., 1951. 135 p.

80. Launder, B.E., and Spalding, D.B. The numerical computation of turbulent flowT, Сотр. Meth. in Appl. Mech. & Eng. 3. 1974. - 269 p.

81. Masao Tago, Koji Akagava, Masanao Nishijima, Flow Characteristics of the Gurrent Turbulent Jet in the Two Dimensional Passage. Bull of the JSMS, v.14, №69, 1971. - p.52-74.

82. Mattioly G.D. Theoria Dinamioc dei Regimi Fluidi Turbulenti. — Gedam, Padova, XV, 1937.

83. Metral A. "Leffect Coanda" Proc. 5-th Lnt. Gonyr. Of App. Maths., 1938.

84. Miller D.R., Comings E. W. Forse Momentum Fields in a Dual Jet Flow. "Jornal of Fluids Mechanics", v.7, 1960.

85. Prandtl L. Berichf uber Unfersuchungen zur ansgebildetern Turbulenz.- ZAMM, 1925, Bd.5. 554p.

86. Reichardt H. Gesefzmassig Keiten der freien turbulenz, VDJ. Forshungsheft, 1942.—485p.

87. Rodi, W. 1979. Influence of buoyancy and rotation on equations for turbulent length scaleT, Proc. 2nd Symp. on Turbulent Shear Flows.—p. 98-112.

88. Sawyer R.A. The flao dne to a two dimension at jet using parallel to a flot plate. Journal of Fluid Mechanics, v.9, 1960, p.4 -28.

89. Taylor G.J The transport of velocity and heat through fluids in turbulent motion. Proc. Of Royal Soc. Series A, 1932, V. CXXXV, №828, p.495-522.

90. Wilkes, N. S. and Thompson, C.P. 1983. An evaluation of higher-order upwind differencing for elliptic flow problemsT, CSS 137, AERE, Harwell. 57p.