Файл: 2.doc

В технике вентиляции приходится иметь дело со струями воздуха, истекающего в помещение, также заполненное воздухом. Такие струи называют затопленными.

В зависимости от гидродинамического режима струи могут быть ламинарными и турбулентными. Приточные вентиляционные струи всегда турбулентны.

Различают струи изотермические и неизотермические. Струю на­зывают изотермической, если температура во всем объеме ее одинако­ва и равна температуре окружающего воздуха. Для вентилирования помещений в подавляющем большинстве случаев применяются неизо­термические струи.

Струю называют свободной, если она истекает в достаточно боль­шое пространство и не имеет никаких помех для своего свободного раз­вития. Если на развитие струи ограждающие конструкции помещения оказывают какое-либо воздействие, то такую струю называют несво­бодной, или стесненной. Вентиляционные приточные струи развиваются в помещениях ограниченных размеров и могут испытывать влияние ог­раждающих конструкций. При определенных условиях влияние ограж­дений на развитие приточных струй можно не учитывать и считать такие струи свободными.

Струя, истекающая из отверстия, расположенного вблизи какой- либо плоскости ограждения помещения (например, потолка), парал­лельно этой плоскости, будет настилаться на нее. Такую струю называ­ют настилающейся.

Все приточные струи можно разделить на две группы: 1—с па­раллельными векторами скоростей истечения; 2 — с векторами скоро­стей истечения, составляющими между собой некоторый угол.

Геометрическая форма приточного насадка определяет форму и закономерности развития истекающей из него струи. По форме разли­чают струи компактные, плоские и кольцевые (рис. IX.1).

Компактные струи образуются при истечении воздуха из круглых, кв-адратных и прямоугольных отверстий. Струя, истекающая из круг­лого отверстия, остается осесимметричной по всей длине своего разви­тия (круглая струя). При истечении из квадратного или прямоугольно­го отверстия струя в начале не будет осесимметричной, но на некото­ром расстоянии от насадка преобразуется в осесимметричную. При истечении воздуха из круглого отверстия с диффузорами для принуди­тельного расширения образуется также компактная струя, которая будет осесимметрична по всей длине; такую струю называют кониче­ской.

Плоские струи образуются при истечении воздуха из щелевых от­верстий бесконечной длины. В реальных условиях плоской считают струю, истекающую из длинного щелевидного насадка с соотношением сторон /о:2£о^20. Струя, истекающая из щели с соизмеримым соот­ношением сторон, не остается плоской, а постепенно трансформируется сначала в эллипсовидную и на расстоянии х=1(Ыусл в круглую (за (1_усл принимают корень квадратный из площади щели).

Если струя истекает из кольцевой щели под углом к оси подводя­щего воздух канала (3d80°, то ее называют кольцевой, при |3 около 135° — полой конической, при {3=90° — полной веерной. У полных веер­

ных струй угол распределения воздуха в пространство составляет 360°; при меньшем угле распределения струя будет неполной веерной.

При угле (3«160° и большем может образовываться компактная струя.

Независимо от формы все струи, у которых при истечении нет при­нудительного изменения их направления, на некотором расстоянии от насадка расширяются; угол бокового расширения а=12°25'. Угол рас-

ширения конической струи при истечении почти совпадает с углом на­правляющих диффузоров, а затем постепенно уменьшается и на рас­стоянии 10 d₀ становится равным углу естественного бокового расшире­ния (12°25').

Изучение струй проводилось многими отечественными и зарубеж­ными исследователями применительно к различным областям техники. Наиболее глубокое и полное исследование струй принадлежит Г. Н. Абрамовичу [2]. Применительно к задачам вентиляционной тех­ники широкие исследования струй проведены И. А. Шепелевым [58].

§ 39. Свободные изотермические струи

Упрощенная схема свободной турбулентной изотермической струи представлена на рис. IX.2. Воздух, вытекая из отверстия, образует струю с криволинейными границами ABC и DEF, которые приближен­но могут быть заменены прямыми АВ, ВС_У DE и ЕЕ.

В струе различают два участка: начальный ABED и основной

CBEF. Сечение BE называют переходным сечением. В начальном уча­стке струи поле скоростей истечения (начальное поле) формируется в иоле скоростей основного участка. В общем случае начальное поле скоростей может быть равномерным или неравномерным. При равно

­

мерном поле скоростей в пределах начального участка на оси струи и во всех точках некоторого объема ее сохраняются начальные парамет­ры истечения: скорость, температура и концентрация (в круглой струе — это объем конуса, основание которого совпадает с плоскостью истече­ния, а высота равна длине начального участка).

Границы основного участка струи ВС и EF при их продолжении пересекаются в точке М, называемой полюсом струп. Положение полю­са точно не установлено. Известно только, что при равномерном на-

Рис. IX.2. Схема турбулентной струи

чальном поле скоростей точка М находится примерно в центре выход­ного отверстия.

В основном участке струи скорость воздуха на оси потока и в пе­риферийной части по мере удаления от выходного отверстия непрерыв­но уменьшается. Профили скоростей воздуха в различных поперечных сечениях основного участка струи подобны и описываются одними и теми же безразмерными зависимостями.

Турбулентная струя, как и всякое турбулентное течение, характе­ризуется интенсивным поперечным перемещением частиц. Частицы воз­духа, совершая кроме поступательного движения вдоль потока по­перечные перемещения в составе вихревых масс, вовлекают в поток частицы окружающего воздуха, которые тормозят периферийные слои струи. В результате масса струи растет, площадь ее поперечного сече­ния увеличивается, а скорость уменьшается.

Перенос вихревых масс, обусловливающий изменение скоростей в струе, обусловливает также распределение в струе концентраций и тем­ператур (для неизотермических струй).

По внешнему периметру струи из заторможенных частиц потока и из частиц воздуха, вовлеченных в поток, образуется пограничный слой.

В теории свободных струй исходным положением для выявления закономерностей их развития является равенство статических давле­ний в струе и окружающем воздухе. Вследствие этого положения им­пульс внешних сил будет равен нулю, а количество движения секунд­ной массы воздуха в струе должно быть постоянным:

/₀ = j_x — const. (IX.1)

В настоящее время имеются исследования, оспаривающие положение о равенстве статических давлений в струе и в окружающем воздухе и, следовательно, о постоянстве количества движения в струе. К числу таких работ относятся исследования В. А. Бахаре- ва [9] и ряд экспериментальных работ других авторов. В этих работах показано, что статическое давление в струе изменяется и вдоль оси и от оси к границе. В отличие от существующих оценок свободной струи как системы незамкнутой В. А. Бахарев предла­гает рассматривать ее как систему замкнутую, т. е. вместе с частью окружающего про-

► /

Рис. IX.4. Поле скоростей в поперечном сечении струи У

странства, очерченной некоторым контуром, на котором нет обмена энергией с другими системами. Обратные потери воздуха, возникающие около свободной струи, в этом слу­чае будут находиться в пределах этого контура (рис. IX.3).

Ниже приводятся данные о струях по теории Г. Н. Абрамовича в обработке В. Н. Талиева [48].

Рассматриваются круглая, плоская и кольцевая струи.

Для всех трех форм струи поле скоростей в основном участке при­нимается по аналитической зависимости Г. Шлихтинга:

5 = (1-^.6)⁴,(IX. 2)

где v = v/v₀c — относительная скорость воздуха в рассматриваемой точке попе­речного сечения струи — отношение скорости в точке к скорости на оси струи; у= = У/Угр — относительная ордината рассматриваемой точки в поперечном сечении струи — отношение ординаты точки к ординате границы струи (к полуширине струи).

Зависимость (IX.2) фиксирует скорость на границе струи:

у

v = 0 при = 1.

Угр

Графическое изображение зависимости (IX.2) приводится на рис. IX.4. Экспериментальные исследования, проведенные различными авторами, показывают, что зависимость (IX.2) хорошо описывает рас­пределение скоростей в поперечном сечении струи*.

Круглая свободная изотермическая струя. Из круглого отверстия радиусом R₀ вытекает воздух, образуя струю круглого поперечного се­чения (см. рис. IX.2). Поле скоростей в отверстии неравномерно. Сред­няя по площади отверстия скорость равна v₀. Начало координат поме­стим в центре отверстия, а ось абсцисс х направим по оси струи.

Относительный радиус струи

« = (*-*>) tea, (IX.3)

*4) АО

где x=x/R₀— относительное расстояние; x₀ — XoJR₀— относительная абсцисса по­люса основного участка струи.Исходя из постоянства количества движения секундной массы воз­духа в струе, будем иметь:

ppL_zo_F= p₀pL₀o₀, (IX. 4)

где Р и (Jo — поправочные коэффициенты на количество движения в сечениях на расстоянии л: от отверстия и на выходе из него; р — плотность воздуха в струе; Ь_х и Lo — объемный расход воздуха соответственно в рассматриваемом сечении и на выходе из отверстия; v_F и v₀ — средняя по площади скорость движения воздуха в тех же се­чениях.

Равенство (IX.4) представляет собой уравнение количества движе­ния в проекциях на ось струи. В нем не учитывается количество движе­ния окружающего воздуха, питающего струю, а также угол бокового расширения струи, т.е. принято, что скорость и ее проекция равны (cos 12°25'=0,98» 1).

Заменяя L_x и L₀ через v_fF_x и v₀F₀, а площади F_x и F₀ через nRl и л#о, получим относительную среднюю по площади скорость:

F Vfo

(IX. 5)

VfiCx-'xo)tga Относительная средняя по расходу скорость^V

L

f vpdL м о 1

°Af =

у₀ р L_x

• где Vm — средняя по расходу скорость; v — скорость в любой точке поперечного сечения струи; dL — элементарный объемный расход воздуха в струе.

Так как количество движения во всех сечениях струи остается по­стоянным и равным количеству движения в начале струи, то

Ро Р^о v₀ Ро^ия#о^уо Ро Кро V'p ¹

*>м=—7 ^{= —}- = — . (IX.6)

pL_X ^ио лR_x v_F о₀ R~_x v_F (х — xq) tg а

Относительная осевая скорость

- _ »ос ^VF 1 1 -

^уос — „ — „ Vp —