Файл: 2.doc

§ 41. Струи, вытекающие через решетки

Изучение струй, вытекающих через решетки, проводили М. И. Гри- митлин [18] и другие исследователи.

Рис. IX.12 Схема формирования и раз­вития струи, вытекающей через отвер­стие, закрытое решеткой

/ — ядро постоянных скоростей; 2 — участок формирования, 3 — начальный участок; 4 — ос­новной участо

к

Статическое давление в начале участка формирования понижается до отрицательного, так как здесь происходит увеличение скорости и, следовательно, динамического давления, а в конце участка сравни­тельно быстро поднимается до положительного и постепенно вырав­нивается с давлением окружающей среды.

В плоских квадратных решетках длина участка формирования при­близительно равна стороне решетки. Площадь сформировавшейся струи на 20—30% больше площади решетки. Угол расширения струи 16—18°

Расчетные формулы для основных параметров струи приводятся в работе М. И. Гримитлина. Во все расчетные величины входит коэф­фициент живого сечения решетки, поскольку оно оказывает большое влияние на формирование струи.

§ 42. Струи, настилающиеся на плоскость

Струя, направленная на плоскость, растекается по ней и настилает­ся на нее.

При угле между плоскостью и осью струи а=90° растекание струи происходит равномерно во все стороны. С уменьшением угла а до 45° большая часть струи будет направлена в сторону более плавного по­ворота, а при а=22°30' вся струя течет только в одну сторону. Это яв­ление растекания струи, направленной на плоскость, изображено на рис. IX. 13.

Если струя направлена вдоль плоскости, т. е. если угол а=0°, а кромка насадка соприкасается с плоскостью, то струя будет насти­латься на плоскость. Такие струи называются полуограниченными. Даль­нобойность полуограниченной струи больше, чем свободной, поскольку размывание струи в этом случае происходит не по всему внешнему кон­туру, а только в той его части, которая взаимодействует с окружающим воздухом. Тормозящее действие плоскости, по которой течет струя, ока­зывается незначительным по сравнению с тормозящим действием окру­жающего воздуха. Пограничный слой со стороны плоскости имеет не­значительную толщину, с внешней же стороны он быстро разрастается и оказывается примерно таким же, как у свободной струи.

Расчет круглой струи, направленной вдоль плоскости, для случаев, когда кромка насадка соприкасается с плоскостью, с достаточной для практики точностью можно вести по формулам свободной струи, если вводить в них вместо начального радиуса насадка R₀ величину RoY 2.

Для плоской полуограниченной струи также можно пользоваться формулами свободной плоской струи, вводя в них вместо полуширины струи Во полную ее ширину 2В₀.

Если струя выпущена под углом а = 40...45° к плоскости, но кромка насадка соприкасается с ней, то оказывается, что и в этом случае струя будет настилаться или, как еще говорят, «налипать» на плоскость. В зоне соприкосновения кромки насадка с плоскостью питание струи окружающим воздухом будет затруднено. Имевшийся в этой зоне огра­ниченный объем воздуха быстро окажется израсходованным, и статиче­ское давление в этом объеме сделается отрицательным. В результате этого струя прижмется к плоскости и, настилаясь («налипая») на нее, будет распространяться как полуограниченная струя.

Струя будет отрываться от плоскости, если угол а станет более 45°; если насадок отодвинут от края плоскости и между ними имеется раз­рыв, через который может поступать воздух для питания струи, то она не будет «налипать» на плоскость.

На рис. IX. 14 приведены профили скоростей струи, вытекающей из прямоугольного отверстия при угле а=0° и а=—30°. Максимальные скорости на равных относительных расстояниях в этих двух случаях ока­зываются почти одинаковыми, а угол одностороннего бокового расши­рения струи во втором случае значительно больше.

Рис. IX. 13. Профили скоростей струи

а — при угле между осью струи и плоскостью а=22°30'; б — то же, а=*45°

Неизотермические струи, настилающиеся на горизонтальные плос­кости, при определенных условиях будут отрываться от них. Отрыв хо­лодной струи от плоскости потолка или теплой струи от плоскости пола объясняется действием архимедовых сил. Место отрыва струи от плос­кости зависит от соотношения сил архимедовых, инерционных и вяз­кости.

Рис. IX 14. Профили скоростей струи

а — при угле между осью струи и плоскостью а=0°; б — то же, а——30°

Опыты, проведенные М. Ф. Бромлеем с нагретой струей, показали, что отрыв ее от плоскости при различных скоростях истечения из на­садка в диапазоне значений критерия Рейнольдса от 3100 до 19000 и критерия Архимеда от 0,0023 до 0,054 происходит на различных отно­сительных расстояниях. При Ar=g~— от 0,0023 до 0,0097 струя не

отрывается от плоскости на протяжении x/d₀ = 22 ...25, при Аг от 0,0127 до 0,0207 отрыв струи происходит на расстоянии x/d₀ = 6... 7, а при Аг = = 0,054 струя вообще не настилается на плоскость и отрывается от нее в непосредственной близости от насадка. В последнем случае истечение струи из насадка характеризуется наименьшим из всех эксперимен­тальных значений критерия Рейнольдса (Re = 3100) и, следовательно, влияние инерционных сил в этом случае также было наименьшим.

Заметное влияние на отрыв (отлипание) неизотермической струи от плоскости оказывает высота положения кромки насадка относительно плоскости. Если насадок смещен по вертикали от плоскости так, что между ними образуется разрыв, то отлипание наступает на меньшем относительном расстоянии.

§ 43. Свободные конвективные потоки,

ВОЗНИКАЮЩИЕ У НАГРЕТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ, —

ТЕПЛОВЫЕ СТРУИ

Тепловые струи, так же как и приточные струи естественной или механической вентиляции, являются основными факторами, определяю­щими циркуляцию воздуха в производственных помещениях, распреде­ление тепла и концентраций паров, газов и пыли.

Движение воздуха, возникающее вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц, называют свободным.

При соприкосновении с нагретой поверхностью воздух нагревается и становится легче. Вследствие разности плотностей нагретых и холод­ных частиц воздуха возникает подъемная сила, под действием которой нагретые частицы поднимаются; на их место поступают новые части­цы— холодные, которые также нагреваются и поднимаются. Таким об­разом, образуется восходящий тепловой поток, определяемый наличием теплообмена у нагретой поверхности.

Чем больше передается тепла, тем интенсивнее движение воздуха. Так как количество переданного тепла пропорционально разности тем­ператур и площади нагретой поверхности, то и свободное движение воздуха определяете^ именно этими факторами. Температурным напо­ром определяется разность плотностей и. следовательно, подъемная си­ла, а площадью поверхности — зона распространения процесса.

Движение воздуха на различных уровнях вертикальной нагретой стенки происходит по-разному (рис. IX. 15). В нижней ее части воздух стелется по поверхности утолщающимся слоем — ламинарное движение, выше появляются завитки («локоны»), бегущие вдоль поверхности,— локонообразное движение, и, наконец, в верхней части стенки «локоны» отрываются и в виде вихрей распространяются в окружающей среде — турбулентное движение.

Движение воздуха около горизонтальных нагретых поверхностей отличается значительной сложностью и зависит от положения плиты и ее размеров. Когда нагретая поверхность обращена вверх, движение происходит по схеме рис. IX.16, а. Если же при этом плита имеет боль­шие размеры, то вследствие налипания с краев сплошного потока нагре­того воздуха центральная часть плиты оказывается изолированной и воздух к ней будет подтекать только сверху (рис. IX. 16, б). Когда нагре­тая поверхность обращена вниз, движение воздуха происходит по схеме рис. IX. 16, в. В этом случае по нагретой поверхности движется лишь тонкий слой воздуха, замещаемый встречным потоком, расположенным ниже.

Конвективные струи изучали многие исследователи: Я. Б. Зельдо­вич, Л. Прандтль, О. Г. Саттон, Б. Шмидт, Г. Н. Абрамович, В. М. Эль- терман, И. А. Шепелев и др.

Рис. IX. 17. Схема конвективной струи в неограниченном пространстве

/ — нагретая пластина; 2 —полюс струи; I—IV — зоны

Рис. IX. 15. Характер свободного движе­ния воздуха около вертикальной нагре­той поверхности

а — обращенных вверх; 6 — то же, при пли­тах большого размера; в — обращенных вниз

На основе этих исследований можно представить схему тепловой струи, возникающей над нагретым горизонтальным источником, обра­щенным вверх (рис. IX.17).

По данной схеме в тепловой струе можно выделить четыре зоны: / — пограничный слой, состоящий из ламинарного подслоя, расположен­ного непосредственно у поверхности нагретой пластины, и основного по­граничного слоя; II— разгонный участок; III—переходный участок; IV — основной участок.

В пограничном ламинарном подслое движение воздуха происходит вдоль поверхности; вертикальная составляющая скорости ничтожна. Тепло от нагретой пластины передается воздуху путем теплопроводно­сти, и поэтому здесь наблюдается значительный перепад температур.

В пределах основного пограничного слоя может быть ламинарное или турбулентное движение воздуха в зависимости от величины произ­ведения критериев Грасгофа и Прандтля. При GrPr^l-lO наблюдает­ся развитое турбулентное движение.

Нагретый воздух из пограничного слоя поднимается над горячей пластиной отдельными струйками, а на его место опускается холодный воздух. Толщина пограничного слоя равна примерно 0,2d. Интенсив­ность подтекания воздуха в пограничном слое больше, чем в вышеле­жащей части струи (на единицу высоты струи).

В разгонном участке в основном проявляются архимедовы силы, и под их действием скорость движения воздуха непрерывно возрастает, статическое давление уменьшается, что и приводит к уменьшению се