автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Конвективные струи в вентилируемых помещениях с локальными источниками теплоты

БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕНННАЯ ПОЛИТЕХНИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Г:

к ДО ^О/Р

УДК 697.95

БОРУХОВА Лилия Владимировна

КОНВЕКТИВНЫЕ СТРУИ В ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ С ЛОКАЛЬНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ТЕПЛОТЫ

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

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Минск 2000

Работа выполнена в Белорусской государственной политехнической академии.

Научный руководитель кандидат технических наук,

доцент СЫЧЕВ А.Т.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор НЕСЕНЧУК А.П.;

кандидат технических наук, доцент ГОНЧАРОВ Э.И.

Оппонирующая организация - Государственное предприятие научно-исследовательский и проектно-технологический институт стройиндустрии (ГПНИПТИС).

Защита состоится « 22» декабря 2000 г. в _10 час. на

заседании специализированного совета Д 02. 05. 10 по присуждению ученой степени кандидата технических наук при Белорусской государственной политехнической академии по адресу: 220114, г.Минск, пр. Ф. Скорины, 150, 15-й учебный корпус, а. 608.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусской государственной политехнической академии.

Автореферат разослан « 21 » ноября 2000 г.

Ученый секретарь

совета по защите диссертаций

канд. техн. наук, доцент

Г. Г. Круглов © Борухова J1.B., 2000

нт .22%-04 , о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Состояние воздушной среды в производственных помещениях оказывает влияние на здоровье людей, ход технологических процессов н качество выпускаемой продукции, жизнедеятельность животных и растений.

Затраты на устройство и работу систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха составляют значительную долю в общем энергопотреблении предприятий. Определяющим фактором при работе систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха является их экономичность по затратам тепловой и электрической энергии, материалоемкости при условии соблюдения санитарно-гигиенических требований к воздуху помещений.

Проектирование систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в производственных помещениях с источниками теплоты должно основываться на комплексном подходе, включающем выбор расчетных параметров воздуха, схем воздухообмена и воздухораспределення с учетом влияния конвективных струй, их мощности и месторасположения.

Для современных методов оценки санитарно-гигиенической и экономической эффективности систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в производственных помещениях с источниками теплоты и оптимизации их на стадии проектирования необходимо располагать данными о характере формирования конвективных струй в условиях стеснения и взаимодействия с приточными струями.

Наличие методов расчета распределения скорости и температуры воздуха по объему помещения с источниками теплоты позволит установить связь между температурой уходящего и приточного воздуха, определить требуемый воздухообмен в помещении, оценить состояние воздушной среды и оптимизировать работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха на стадии проектирования по ряду признаков: расположению теплового оборудования, вытяжных и приточных устройств, температуре удаляемого воздуха и сочетанию параметров воздуха на рабочих местах. Это приводит к сокращению воздухообмена в помещении и снижению затрат на нагрев приточного воздуха.

Связь работы с крупными научными программами, темами. Работа выполнена в рамках Республиканской научно-технической программы по разработке и внедрению в практику проектирования и строительства научно обоснованных инженерно-технических и технологических решений ГБ 86-42 (раздел «Промышленная вентиляция»), договора № 101-85 о научно-техническом сотрудничестве с институтом «Белпромпроект» «Исследование воздухораспределення в цехах промышленных предприятий», х/д № 1312 с Речицким хлебозаводом «Исследование воздухообмена в производственных помещениях завода».

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является создание метода расчета скорости и температуры воздуха в помешени-

ях, циркуляция вол дух а в которых обусловливается конвективными струями. Для достижения поставленной цепи необходимо разработать модель конвективной струи на основе крупномасштабных вихревых структур, обладающих свойством когерентности, и получить зависимости для определения границ и параметров конвективной струи в ограниченном объеме; провести экспериментальные исследования конвективных струн в ограниченном объеме и сравнить результаты теоретических и экспериментальных исследований; разработать методику расчета параметров конвективных струй, развивающихся в ограниченном объеме.

Объект и предмет исследования. В работе проведено исследование конвективных струй, развивающихся в ограниченном объеме и в поперечном потоке.

Гипотеза. Исследуемая конвективная струя рассматривается как совокупность крупномасштабных вихревых структур, обладающих свойством когерентности; форма структуры принята шарообразной.

Методология и методы проведенного исследования. В работе проведены аналитические исследования конвективных струй, развивающихся в ограниченном объеме и поперечном потоке. В основе математической модели лежат уравнения движения и переноса теплоты при постоянных физических свойствах среды в рамках теории пограничного слоя в приближении Буссинеска. Проведены экспериментальные исследования конвективных струй в ограниченном объеме по классическому плану.

Научная новизна и значимость полученных результатов работы заключается в выявлении закономерностей формирования конвективных струй, развивающихся в ограниченном объеме и в поперечном потоке, на основе модели, учитывающей развитие крупномасштабных когерентных структур; в экспериментальном исследовании скоростных и температурных полей в помещениях с локальными источниками теплоты различной мощности при различных условиях стеснения.

Практическая значим ость -полученных результатов состоит в создании методики и программы расчета на ЭВМ скоростных и температурных полей в помещениях, циркуляция воздуха в которых обусловливается конвективными струями. Методика расчета использована Государственным проектным институтом «Белпромпроект» при проектировании вентиляции в кузнечно-прессовом цехе завода тяжелых штамповок в г. Жодино, на Минском автомобильном заводе, на Речицком хлебозаводе для определения температуры уходящего воздуха при расчете воздухообмена. Методика одобрена на заседании Научно-технического совета Министерства архитектуры и строительства РБ, ученого совета ГП Щ1ПТИС, ОАО «Стройкомплекс» и. рекомендована для применения при проектировании систем вентиляции помещений с источниками теплоты, расчете температурного режима и параметров воздухообмена в помещениях.

Основные положения диссертации, выносимы« на защиту

- результаты теоретического и экспериментального исследований конвективных струй, развивающихся в ограниченном объеме и в поперечном'потоке;

- методика расчета скоростных и температурных полей в помещениях, циркуляция воздуха в которых определяется конвективными струями..

Личный вклад соискателя. Теоретические и экспериментальные исследования конвективных струй, развивающихся в ограниченном объеме и поперечном потоке, разработка методики расчета параметров конвективных струй в ограниченном объеме.

Апробация результатов.диссертации. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научном семинаре «Оздоровление воздушной среды машиностроительных заводов». (Москва, 1987г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы охраны труда в промышленности» (Ленинград, 1986г.), на семинаре «Управление микроклиматом обогреваемых зданий» (Челябинск, 1986г.), на зональном семинаре «Охрана воздушного бассейна при эксплуатации систем теплогазоснабжения и вентиляции» (Пенза, 1985г.), на 41-й, 42-й, 43-й научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Белорусского политехнического института (Минск, 1985 - 1987гг.), на научно-технической конференции «Охрана окружающей среды и рациональное использование ресурсов» (Новополоцк, 1989г.),, на Международной 52-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников, аспирантов и студентов БГПА «Технические ВУЗы - республике» (Минск,. 1998г.).

Опубликов анность результатов: по теме диссертации опубликовано тринадцать научных работ, в том числе девять статей и четыре - тезисов докладов научных конференций. Общее количество страниц опубликованных материалов -163.

Структура и о б ъ ем диссертации. Диссертация состоит из общей характеристики работы, четырех глав, четырех приложений. Рукопись-' представлена на 167 страницах, в том числе 54 страницы иллюстраций (66 рисунков), 8 страниц таблиц (8 таблиц), 23 страницы приложений (4 приложения). Список использованных источников включает 275 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе диссертации приведен обзор и дан анализ теоретических и экспериментальных исследований конвективных струйных течений.

Наиболее изучены свободные конвективные струи. Теоретические исследования конвективных, струйных теч'енйй основаны на уравнениях движения и переноса теплоты при постоянных физических свойствах среды в рамках теории пограничного слоя в приближении Буссинескя. Для замыкания системы урав-

нений используются различные гипотезы, дня решения успешно применяются интегральные методы.

Большинство теоретических и экспериментальных исследований посвящено определению параметров основного участка плоской и осесимметричной конвективных струй. Анализ этих исследований позволяет сделать вывод об автомодельное™ профилей скорости и температуры. Разгонный и переходный участок Изучены недостаточно. Приводимые данные о значении турбулентного числа Прандтпя противоречивы и требуют дополнительного изучения.

Расчёт параметров конвективных потоков в ограниченном объеме затруднен, .т.к. постановка внутренней задачи конвективного движения жидкости сложна и возможна лишь в отдельных случаях. Изучение конвективных потоков в ограниченном объеме проводится на основе закономерностей развития свободных струй (сводится к внешней задаче) с учетом различных допущений. Получаемые при этом опытным путем коэффициенты стеснения носят частный характер.Требуют уточнения также величины полюсного расстояния и начального участка, параметры сжатого сечения конвективной струи, их зависимость от способа установки источника теплоты. Отмечается переменное значение турбулентного числа Прандтля для различных сечений конвективной струи.

Для определения температуры уходящего воздуха и расчета требуемого воздухообмена в помещениях, возможности применения современных методов оценки санитарно-гигиенической и экономической эффективности систем отопления и вентиллции, оптимизации их на стадии проектирования, создания автоматизированных систем проектирования необходимы эффективные методы расчета скорости и температуры воздуха по всему объему вентилируемого помещения с учетом расположения и конвективной теплопроизводителыюсти источников теплоты;

Во второй главе представлены теоретические исследования конвективных струй, развивающихся в ограниченном объеме и поперечном потоке.

Расчёт воздушных потоков в вентиляционной практике основывается на закономерностях турбулентных течений. Турбулентное движение является результатом наложения движения различных масштабов: основная часть структур турбулентности имеет сравнительно малый масштаб и содержит основную часть энергии, на ней налагается система медленных больших вихрей. Диссипация энергии связана, с мелкомасштабной турбулентностью. Мелкомасштабные пульсации не проникают глубоко в область потенциального течения, значительную роль в Этом играют крупномасштабные пульсации. Их масштаб соизмерим с размерами области, в которой происходит турбулентное перемешивание. Большие вихри, искривляют поверхность турбулентной жидкости, тем самым вызывая захват невозмущенной жидкости, что и регулирует расширение струйного течения. Было выявлено, что. поведение крупномасштабных структур является более детерминированным, чем предполагалось ранее. Они обладают свойствами, проявляющимися в течение продолжительных промежутков времени. Эти структуры были названы когерентными. Эжекция воздуха в струю

объясняется подсасыванием невозмущенного потока в пространство между вихрями и поступлением его внутрь сдвигового слоя. Возникающие на границе крупномасштабные вихри движутся со скоростью примерно равной среднему арифметическому скоростей смешивающихся потоков.

Когерентные структуры были зафиксированы в горячих струях при экспериментальных исследованиях естественной конвекции у вертикальной стенки, в восходящих потоках над источниками теплоты.

Исследуемая конвективная струя рассмотрена на базе модели, учитывающей развитие крупномасштабных вихревых структур, обладающих свойством когерентности.

Рис. 1. Схема конвективной струи в ограниченном объеме {Н>2д) В основе математической модели лежат уравнения движения и переноса теплоты при постоянных физических свойствах среды в рамках теории пограничного слоя в приближении Буссинеска, приведенные к интегральным срот-ношениям.

Изменение количества движения в направлении течения конвективной струи равно действию подъемной силы

/

О

В

При развитии конвективной струи в ограниченном объеме образуется замкнутое циркуляционное движение. Картина течения при Н > 2А ("длинный тупик") представлена на рис. 1. Струйный пограничный слой (кривая 1 -динамическая граница струйного пограничного слоя) включает течение в направлении движения струи и обрати ный .поток, разделенные границей нулевой продольной скорости (кривая 2). При достижении сечения 2= заканчивается. участок смешения и начинается зона разворота струи, характеризующаяся разрушением крупных вихрей на отдельные разномасштабные структуры. Поле скоростей обратного потока вне струйного пограничного, слоя близко к равномерному.

о О V

о о

Количество избыточной теплоты в конвективной струе сохраняется постоянным в любом сечении и равным конвективной теплопроизводительности источника

б

''¡рср(Т-Токр)У(пу)^у. (2)

о

Изменение расхода воздуха в струе, развивающейся в ограниченном объеме,

в

Ог = [Гу'с/у . (3)

о

Распределение скорости в поперечном сечении конвективной струи, развивающейся в ограниченном объеме и рассматриваемой как течение во внешнем потенциальном потоке, опишем уравнением

У-У / -1,5 у

г^-4-у ). (4)

' г ' я

Для замыкания этой системы уравнений используется уравнение динамической границы струйного пограничного слоя

¿8 Ууст V

2 СЯ1р

V гетр = V• У,", (6)

У уст, = у; ■ (7)

На основании исходных уравнений, записанных для определенного сечения и после ряда преобразований получены дифференциальные уравнения динамической границы: .

плоской конвективной струи в ограниченном объеме „ - ~5

осесимметричной конвективной струи в ограниченном объеме

(¿8 ,,. - пб1

_ Рст р

Значение относительной плотности -рс„г =-в сечениях плоской и осе-

Рокр *

симметричной конвективных ст^уй в ограниченном объеме определяется из выражений:

О+Р„, 7"?), ' (8)

s2+P3

Ъас-Ьг

9 a2 Ьг ' 21a3

be 6 a2

d_ la'

b =

¡? = (2 tf-S'-S-M), для i = 0 ? = (Л//г3 + ^(4-;г?)2), для / = Г

- (2 - 5) + (3 -15) - 2 - » = 0

i = l

¿i2 (4 - л-i2 )(4Мя - 3<55 (4 - ,т<52 )),

12S (1 -3)-S {\-S)Q-S)~ MQ-S)1, i = 0 [(4 - ячГ)2 (4M + 3<55), i - I i-£(l-5)\ i = 0 |?(4-я£2)2,' / = 1

M =

за

з a3

Я 3,07.10

., а

в'

Я 1,24.10"7 -

t = 0

/ = 1

(Ю)

(И) (12)

(13)

(14)

(L5) (16)

(17)

(18)

(19)

(20) (21) (22)

(23)

(24)

Непосредственное интегрирование дифференциальных уравнений (8) и (9) с учётом изменения величины рстр (10)...(24) невозможно, так как интеграл не

представляется через известные элементарные функции. Разработана программа на алгоритмическом языке FORTRAN для численного решения этих уравнений методом Рунге-Кутта на ЭВМ.

Проинтегрировав (8) при рсщ= const и найдя постоянную интегрирования

из условия 8=0, г - -z0., получено уравнение динамической границы плоской конвективной струи в офаниченном объеме

где z = z + г0

Рстр ^ . £».

В

- 8 - z

6 = а- 2 = т

d

Решение уравнения (8) для случая слабоиеизотсрмической струи ра

- 28- ¿2 z =-

2 tgat0

Интегрированием (9) при рстр= const получено уравнение динамической

границы осесимметричной конвективной струи в ограниченном объеме

2 Р

- 2

7 =

(---

сшр

'ga„ 2-р

где г о ■■

, (2-pmp)fa(2 5= —

/45' лШ' лШ' Решением уравнения (9) для случая

2 - 2 - - -

-In

РШр ^

v/8+^(2-

Pcmp)S

Pcmp)S

), (27)

=1 является

— / г «=

z' =-(5—р=

tga, J&jt

) V84 ¿у[л

(28)

о = \

r cm p

о ер й<г 5~ Рис. 2- Графики изменения динамической

границы струйного пограничного слоя конвективных струй в ограниченном объеме: ,— плоской, - - - осесимметричной

По выражениям (25). (28) построены графики изменения динамической границы струйного пограничного слоя плоской и осесимметричной конвективных струй в ограниченном объеме при значениях рст = 0,79...] (рис. 2).

Зависимости (26), (28) для частного случая развития струй при подтверждают существующие данные о размерах участка смешения слабонеизотерми-ческих струй в стесненных условиях. Характер искривления границ конвективных струй в ограниченном объеме и их параметры определяются конвективной теп-лоироизводителыюстыо источника теплоты, степенью стеснения и физическими свойствами .окружающего воздуха.

Получены выражения для определения скоростных и температурных полей плоской и осесимметричиой конвективной струи в ограниченном объеме

Скорость в.лшбой точке на участке смешения определяется у 2(2'(4' - } + 1 )0 " ^ -

2<2\А>-*<5М) + рстрл'5М • (29).

= V _ V = — — — — Ув

где у = ~, V, При У, = кг = 1;при у = 1 у,=У.= — .

При >>>1 принимаем у = I, при этом (поле скоростей обратного

потока равномерно).

Скорость на оси конвективной струи

„ 2'(4' -л'8М)

—г; ——Т^т-^-^г). . (30)

у Зрстр 2 (4 -п 8 ) + Рстря'д

Скорость обратного потока .

(31)

Скорости на участке разворота (г' > г' ^р-)

V - > -

= (32)

Средняя избыточная температура конвективной струи определяется из условия

В случае, когда высота помещения меньше дальнобойности конвективной струи {И< затопленная струя натекает на поверхность перекрытия и трансформируется в пеерную полуограниченную. Получены зависимости для определения основных параметров струи в переходном сечении.

Конвективная струя характеризуется наличием сжатого сечения, поле скоростей и температур в котором неравномерно. Уточнены параметры сжатого сечения конвективной струи, коэффициент поля скоростей в этом сечении, длина начального участка при различных способах установки нагревательной пластины.

Получено дифференциальное уравнение оси конвективной струи в поперечном потоке

dy 2x(\-pcmp)gtSa0 9pc,„ p2K^

<* = з 4TPeKtvl rf + x2d-P„lp)2gV«0- (34)

Проинтегрировав (34) при pC!rp = const и найдя постоянную интегрирования из условия у = 0 при х- О, получаем уравнение оси конвективной струи в поперечном потоке

>/жЗ t 11, / + V24

+ (3б)

„ 20-Pcmp)g

' >гао. (37)

Построены графики изменения положения оси осесимметричной конвективной струи в поперечном потоке. Характер искривления оси определяется конвективной теплопроизводительностью источника теплоты, скоростью и физическими свойствами воздуха набегающего потока. В зависимости от сочетаний конвективной теплопронзводительности источника теплоты и скорости сносящего потока конвективная струя оказывает определенное влияние на формирование микроклимата рабочей зоны или верхней зоны помещения.

В третьей главе приведены общая методика планирования эксперимента, описание экспериментальной установки*и-приборного оснащения эксперимента, результаты экспериментальных исследований скорости и температуры конвективной струи в ограниченном объеме.

При проведении экспериментальных исследований соблюдалось аэродинамическое подобие изучаемых течений, которое реализуется при соблюдении условия Re > 2400, подобие на основном участке конвективных струй, которое выполняется при GrPr > 2-Ю7. Параметрический критерий R' = R' / Н, включающий геометрические размеры, изменялся в диапазоне от 2,84 до 4,43, соответствующем реальным условиям.. Для каждого значения длины тупика R' проводились измерения при значениях Qa= 20,40, 70 Вт.

Экспериментальная установка (рис. 3) представляет собой прямоугольный параллелепипед, в основании которого лежит квадрат с размерами сторон 1250 мм. Высота модели изменяется от 0 до 400 мм за счёт опускания пола 11 при помощи четырёх винтовых подъёмников 9. Ограждающие конструкции модели: стены 1, пол 11, потодок 12 выполнены пятислрйными. Они состоят из трёх слоев фанеры 5, воздушной прослойки 7 с электронагревателями 2 и теплоизоляционного слоя 8. Герметичность установки в области примыкания пола к стенам обеспечивает шланг-уплотнитель 10. В качестве,локальных источников теплоты иепользовались нагреватели 14'.

Рис. 3.Схема экспериментальной установки Проведенные экспериментальные исследования по определению осевой скорости и скорости обратного потока при различных длинах тупика показывают хорошую сходимость с теоретическими данными (рис. 4). Характер изменения осевой скорости и скорости обратного потока конвективной струи аналогичен изменению этих величин в слабонеизотермических приточных струях, развивающихся в тупиках различной длины. \

0,9 0,8 С,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

О 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 2,4 2,8 3,2 3,6 У.

Рис. 4.Графики изменения скоростей при X - 3,9; = 20 Вт Графики на рис.5 иллюстрируют изменение температуры на оси и в обратном потоке струи. Происходит падение температуры воздуха вдоль оси струи и незначительное изменение в обратном потоке, что соответствует теоретическим данным.

40 38 36 34 32 30

2(3 26 24 22

• 1 1

- тзорнл

I4'

Л» ...

/ ' 1 1 г ——•

0,4

О,В

1,2

1.6

2,0 2,4

2,а

■¿,2 3,6

Рис. 5.График изменения температуры ^ при х = 2,5; <2,, = 20 Вт Результаты измерения полей скоростей и температур конвективных струй представлены на рис. б, 7. Сравнение полученных экспериментальных данных с теоретическими показывает их соответствие. Распределение скорости и температуры воздуха вне струйного течения близко к равномерному. Следует отметить, что в ходе эксперимента не удалось измерить скорости в областях, прилегающих к границе нулевой продольной скорости. Это связано с малыми величинами средних значений скорости, не позволяющими провести измерения применяемым прибором.

У 1.0

У*

Л / / >

/ • < /

ч N < у к-

Ч. к У н N ■

V / I

1- ч /

V

V \ 1 *

и и,5 х'.О V \

1 1 1 1 »

0,9 0,8 0,7 0,6

О «¡¿С,4 0,8

1.2

1.6

2,0 ' 2,4 2,8 3,2 3,6

Рис. 6.График изменения скоростей при X = 3,9; (3,, = 20 Вт

0,4

0,8

1,2 1,6

2,0

2,4 2,8

3,2

3,5

Рис. 7. График изменения температур при х ~ 3,9; ()„ = 20 Вт Профили скоростей и температур в поперечных сечениях конвективной струи в первом приближении автомодельпы (рис. 8, 9). На графиках рис. 8 приведено сопоставление полученных экспериментальных данных с профилями скорости по уравнению Шлихтинга (I), по косинусоидальному закону (2), с треугольным профилем (3), отражающим кпазигвердое вращение вихревой структуры. Анализ этих данных позволяет сделать вывод о возможности использования при расчетах каждого из перечисленных уравнений. Анализ экспериментальных исследований профиля температур (рис. 9) позволяет сделать вывод о переменном значении турбулентного числа Прандтля в различных сечениях конвективной струи (1= 0,5; 2 - /V, = 1,4).

1.0

о 0,6 0,7 0,В О.Е 0,4 0,3

О,' 0,1 0

и X

л * 1,03

\ • 1,40

• 2,СО

1 1 + 2,65

ч 1 □ 3,2В

N ч1

1

0,2

0,4

1,0

К

и, V»!

Рис. 8.Г1рофиль скоростей при X = 3,9; = 20 Вт

К

1,0,

0,8 0,7 0,6 0,5 0,4

0,3 0,2

0,1.

N X

\ 4 ,09

т \ • ,4

1 4 V \| << ■ ,0

1 ■г \ V -V ,65

' а + Ч \ 0 ,28

■ • > N ^

■ % а \

»

Л

0 0,1 0,2 0,3 0,4.0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Т=Т1--Тк

т,-т<

Рис. 9. Профиль температур при X = 3,9; Оо = 20 Вт

0.6

Проведенные экспериментальные исследования распределения скоростей и температур в вентилируемом помещении с различным расположением источников теплоты при воздухораспределении веерными полуограниченными струями по тупиковой схеме показывают, что величина скорости приточного воздуха, конвективной теплопроизводителыюсти и расположение источников теплоты влияют на распределение температуры в рабочей и верхней зонах помещения. Положение точки максимума температуры обратного потока определяется соотношением скорости приточного воздуха в месте расположения источника теплоты и конвективной теплопроизводителыюсти источника теплоты.

В четвертой главе изложена разработанная методика расчёта скоростных и температурных полей в помещениях, циркуляция воздуха в которых определяется конвективными струями.

Исходными данными для расчета являются: размеры помещения или обслуживаемой зоны, размеры источника теплоты, температура на его поверхности или конвективная теплопроизводительность, температура и скорость окружающего воздуха.(нормируемые параметры), шаг вычислений по осям У, 2. Ре: зультатами расчетов являются, значения скорости и температуры ^ по объему помещения.

Предлагаемая методика позволяет определить температуру и скорость воздуха по всему объёму помещения, оценить на стадии проектирования состояние воздушной среды и оптимизировать полученное решение по расположению теплового оборудования, по месторасположению вытяжных и приточных устройств, по температуре удаляемого воздуха и возможности утилизации его теплоты. На основании методики разработана программа расчета на ЭВМ скоростных и температурных полей в помещениях, циркуляция воздуха в которых обусловливается конвективными струями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Решена задача о развитии конвективных струй в ограниченном объеме и поперечном потоке на основе крупномасштабных вихревых структур, обладающих свойством когерентности/1, 2/,

2. Получены уравнения для определения границ струйного пограничного слоя и нулевой продольной скорости плоской и осесимметричной конвективных

струй в ограниченном объеме. Для частного случая Ращ ~ 1 полученные закономерности подтверждают существующие данные о границе и размерах участка смешения слабонеизотермической плоской и осесимметричной струй в стеснённых условиях/2, 10,11/.

3. Характер искривления границ и параметры конвективной струи, развивающейся в ограниченном объеме, определяются величиной конвективной теплопроизводителыюсти источника теплоты, степенью стеснения и физическими свойствами окружающего воздуха/2, 10, 11/.

4. Найдены зависимости для определения скорости и температуры плоской и осесимметричной конвективных струй в ограниченном объеме/4, 12/.

5. Получено уравнение оси конвективной струи, развивающейся в поперечном потоке 13/. Характер искривления оси струи определяется величиной конвективной теплопроизводителыюсти источника теплоты, скоростью и физическими свойствами воздуха набегающего потока. В зависимости от величины конвективной геплопроизводительности источника теплоты и скорости по- . перечного потока конвективная струя оказывает существенное влияние на формирование микроклимата рабочей зоны или верхней зоны помещения.

6. Результаты экспериментальных исследований конвективных струй, проведенных при различной конвективной теплопроиэподителыюсти источника теплоты и степени стеснения, согласуются с теоретическими /5, б/. Характер изменения осевой скорости и скорости обратного потока соответствует существующим данным об изменении этих величин в слабонепзотермических приточных струях, развивающихся в тупиках различной длины.

Распределение скорости и температуры воздуха по высоте сечения вне струйного течения близко к равномерному, но изменяется от сечения к сечению.

Профили скоростей и температур конвективной струи в первом приближении автомодельны. Значение турбулентного числа Прандтля изменяется По течению струи. Среднее его значение в проводимых исследованиях равно 1,4.

7. Разработана методика расчёта скоростных и температурных полей в помещениях, циркуляция воздуха и которых определяется конвективными струями /4, 51. Методика позволяет определить температуру и скорость воздуха по всему объему помещения, оценить на стадии проектирования состояние воздушной среды и оптимизировать полученное решение по расположению теплового оборудования, по месторасположению вытяжных и приточных устройств, по температуре .удаляемого воздуха и возможности утилизации его теплоты /6, 7/.

ПЕРЕЧЕНЬ ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

и, у, со - составляющие'скорости вдоль осей абсцисс, ординат, аппликат, м/с; V, - локальное значение скорости, м/с; Кг - скорость на оси струи, м/с; V, -скорость обратного потока, м/с; Ув - скорость в сжатом сечении конвективной струи, м/с; У„ - осевая скорость в сечении сопряжения исходной и веерной по-луограннченнои струй, м/с; К,, К/ов/1 - среднее значение скорости Струи и обратного потока, м/с; £ Т - локальное значение температуры, "С; Г - температура на оси струи, "С; 1„ 7, - температура обратного потока, °С; (¡, Г; - среднее значение температуры струи, "С; //обр Г/£ф - среднее значение температуры обратного потока, "С; Тс - начальное значение температуры, °С; ^ - температура уходящего воздуха, "С; /окр, Тскр - температура окружающей среды, "С; („ -температура поверхности источника теплоты, "С; <7, Ь - массовый и объёмный расход воздуха, кг/ч, м3/ч; <5- полуширина струйного пограничного слоя, м; 8С • полуширина границы нулевой продольной скорости струи, м; 8, - полуширина теплового пограничного слоя, м; - дальнобойность струи, м; 2кр - длина участка смешения, м; г- радиус вихревом структуры, м; И, X - радиус помещения,

м; Я - высота помещения, \л\И! - высота помещения от уровня поверхности источника теплоты, м; Хр • длина участка разворота, м; Х,,у - длина начального участка, м; а0 - угол раскрытия свободной струи, 5 - расстояние по оси струи от начала координат до рассматриваемого сечения, м; конвективная тепло-производительность источника теплоты, Вт/м (Вт)\ср - массовая теплоёмкость воздуха при постоянном давлении, Дж/(кг К); р • плотность, кг/м3; рстр,р0*р -плотность в струе и окружающей среде, кг/м ; g - ускорение силы тяжести, м/с2; А, В - размеры помещения В плане, м; Яа - радиус (полуширина) источника теплоты, м; И - высота источника теплоты, м; Ри - площадь источника теплоты, м2; - полюсное расстояние конвективной струи, м; 2СЖ- высота сжатого сечения конвективной струи, м;

ИНДЕКСЫ

рз - параметры в рабочей зоне; ез • параметры в верхней зоне помещения; стр - параметры вихревой структуры; 1,ср - среднее значение величины; окр -параметры окружающей среды; кр - параметры в критическом сечении; в - параметры обратного потока; о - параметры сжатого сечения, конвективной струи; ох - параметры в сечении сопряжения исходной и веерной полуограниченной струй; г - локальные значения; ух - параметры уходящего воздуха.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Кондибор В.И., Борухова Л,В. Модель конвективной струи, развивающейся в ограниченном объеме// Модернизация систем отопления и вентиляции в реконструируемых зданиях: - Ростов-на-Дону: РИСИ, 1986.- С. 118-124.

2. Сычев А.Т., Борухова Л;В. Конвективная струя круглого сечения в ограниченном объеме. - Минск, 1986.-10 с, - Дёп. в ВИНИТИ. - № 2187-В..

.3. Борухова Л.В.; Сычев А.Т. Конвективная струя в поперечном потоке // Теплоснабжение и вентиляция аграрно-промышленного комплекса. - Ростов-на-Дону: РИСИ, 1987.- С. 66-70. . ' '

4. Борухова Л.В., Сычев А. Т. Методика расчета скоростных и температурных полей в производственных помещениях с источниками теплоты. -Минск, 1987.- 15 с. - Деп. в ВИНИТИ. № 9119-В. ' '

5. Борухова Л.В., Сычев, А.Т. Оптимизация расчетов воздухообмена в производственных помещениях с ирточииками теплоть!// Энергосберегающие установки, вентиляция и кондиционирование. - Ростов - на Дону : РИСИ, 1989.-С. 111-113. , '"•■...•■,1 • ' ' '"'•" ;' '

6. Борухова. Л.В. Оценка состояния воздушной среды и оптимизация воздухообмена в помещениях с. источниками Iтеплота//Техника, технология, организация и экономика строительства. - Минск: Выш. школа, 1990,- Вып. 15.-с.61-64. . . ...' -

7. Исследование воздухообмена, в производственных помещениях завода: Отчет о НИР / БГПА; Рук. Л.В. Борухова,- № ГР19941772.- Минск, 1994,- 27 с.

8. Разработка методов, норм и систем использования тепловых ресурсов, хранения оборудования, материалов и помещений: Отчет о НИР / БГПА; Рук. В.Д. Сизов,- № ГР 1996862.- Минск, 1996,- 69 с,

9. Анализ структуры теплопотребления на хлебозаводах объединения «Гомельхлебиром», выявление источников и оценка параметров вторичных

. энергоресурсов, разработка схем утилизации теплоты и теплообменного оборудования: Отчет о НИР / БГПА; Рук. Л.В. Борухова,- № ГР 1999374,- Минск, 1999.-40 с.

10-, Сычев А.Т., Борухова Л.В. Микроклимат производственных помещений со значительными избытками теплоты// Управление микроклиматом обогреваемых зданий, - Челябинск, 1986,- С. 52-53.

11. Сычев А.Т., Борухова Л.В. Конвективная струя круглого сечения при трансформировании о перекрытие// Охрана труда на промышленных предприятиях. - Свердловск, 1986.- С. 46-48.

12. Борухова Л.В., Сычев А.Т. Совершенствование расчетов систем вентиляции в производственных помещениях с источниками теплоты// Охрана окружающей среды и рациональное использование ресурсов: Тезисы докладов. -Новополоцк, 1989.-С.31.

13. Борухова Л.В. Методика расчета удельных норм расхода, тепловой энергии на предприятиях// Теплогазоснабжение и вентиляция и физика в технических процессах: Тезисы докладов. - Минск, 1997,- С. 98.

РЭЗЮМЕ Борухава. ЛЫя Уладз1м1ра$?на

КанвектыУны.я струмен! у вентыл1раваных пзмяшканнях з лакал1заваным! крын1цам1 цяпла

Вентыляцыя, крынща цяпла, канвектыуны етрумень, кагерэнтныя структуры, мяжа каноектыунага струменя, скорасць I тэмпература паветра у канвек-ты^ным стумеш, эксперыментальныя даследаванш, методыка раэлшу

Аб'ектам даследавання з'яулягацца канвектыуныя струмеш, я к ¡я маюць развщцё ^ абмежаваным аб'ёме I у папярочным патоку.

• Мэтай работы з'яуляецца стварэнне метаду разл1ку скорасш тэмпературы паветра у памяшканнях, цыркуляцыя паветра у яшх абумоулена канвектыуным! струменямк Дзеля дасягнення пастауленай мэты распрацавана мадэль канвек-тыуных струменя^ на аснове буйнамаштабных вЫравых структур, ямя маюць уласцшасщ кагерэнтнасщ; атрыманы выразы для разлЫу межау 1 параметрау канвекты^ных струменяу у абмежаваным аб'ёме; праведзены эксперыменталь-ныя даследавант канвекгыуных струменя^ у абмежаваным аб'ёме 1 выкананы лара^нанш вышкау тэарэтычных 1 эксперыментальных даследаванняу.

Створана методыка разлжу скорасц1 1 тэмпературы Паветра канвек-тыуных струменяу у абмежаваным аб'ёме. Галжа прымянення - вентыляцыя прамысловых збудаванняу.

РЕЗЮМЕ

Борухоиа Лилии Владимировна

Конвективные струн в вентилируемых помещениях с локальными источниками теплоты

Вентиляция, источник теплоты, конвективная струя, когерентные структуры, граница конвективной струи, скорость и температура воздуха в конвективной струе, экспериментальные исследования, методика расчета

Объектом исслсдоваши являются конвективные струи, развивающиеся в ограниченном объеме и ь поперечном потоке.

Целью работы является создание метода расчета скорости и температуры воздуха в помещениях, циркуляция воздуха в которых обусловливается конвективными стр>ями. Для достижения поставленной цели разработана модель конвективной струи на основе крупномасштабных вихревых структур, обладающих свойством 'когерентности;' получены зависимости для определения границ и параметров. конвективной струи в ограниченном объеме; проведены экспериментальные исследования конвективных струй в ограниченном объеме и сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Разработана методика расчета скорости и температуры воздуха в конвективных струях, развивающихся в ограниченном объеме. Область применения -вентиляция промышленных зданий.

SUMMARY LILIA BOROUKHOVA

Convection Jets in the ventilated premises with local heat sources

Ventilation, Heat Source, Convection Jet, Coherent Structures, Verge of the Convection Jet, Air Velocity* and Temperature in the Convection Jet, Experimental Research, Calculation Method

The object of research is the convection jets circulating in confined volume and in a cross flow.

The goal of the work was to create a method of calculation of air velocity and temperature in the premises where the air circulation is conditioned by the convection jets. To achieve the above-stated goal a. mathematical model of a convection jet based on the large-eddy coherent structures was developed; the formulas for defining the verge and parameters of ihe convection jet in the confined volume were detennined; experimental research of convection jets in confined volume was carried out; the results of the theoretical and experimental investigations were compared.

. Method of calculation of velocity and temperature оГ the air in the convection jets circulating in confined volume were developed. The application domain of the research is ventilation of the industrial buildings.