Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член

Еще раз о расчете воздушных завес

В порядке обсуждения нашей статьи "К вопросу о расчете воздушных завес", напечатанной в журнале "АВОК", 2003, № 7, была опубликована статья А. С. Стронгина и М. В. Никулина [2], в которой приведены возражения и сомнения в предпосылках и методах расчета, изложенных в [1]. Мы благодарны оппонентам за внимание к затронутой теме и за сделанные замечания, которые заставили нас более внимательно изучить экспериментальное обоснование ранее использовавшихся методов расчета воздушных завес. Следует признать, что в таблице 3 [1] допущены опечатки - следует читать в третьей строке "ширина щели, мм - 100; скорость воздуха на выходе из щели, м/с - 9,15". Остальные замечания и возражения заслуживают более подробного рассмотрения. Поэтому мы обратились в редакцию журнала "АВОК" с просьбой опубликовать результаты этого рассмотрения.

Теоретическая обоснованность предложенного метода

По мнению авторов [2], "струя воздушной завесы не является аналогом свободной струи, поэтому задание средней скорости на участке разворота и взаимодействия с ограждением (или встречной струей при двухсторонней завесе) не характеризует реальную картину течения. Тепло- и массообмен в проеме определяется не геометрическими построениями траектории оси или границ струи, а законами сохранения массы, теплоты и количества движения в зоне проема. Принципиальным условием является соблюдение закона импульса в зоне проема, включающего наружные ограждения".

Действительно, струя воздушной завесы не является аналогом свободной струи. Попытки упомянутых оппонентами авторов определять траекторию струи без учета поперечного градиента давления, образующегося в искривленной струе, приводили к неудовлетворительным результатам. Только относительно недавно появились работы, достаточно полно учитывающие особенности течения струй в поперечном потоке. В предложенном нами методе [1] определение траектории струи и основных параметров завесы базируется на решении дифференциальных уравнений сохранения энергии и импульса [4].

Теоретическая обоснованность метода В. М. Эльтермана

А. С. Стронгин и М. В. Никулин считают, что по методу, предложенному В. М. Эльтерманом [3] (далее метод В. М. Эльтермана), параметры завесы, обеспечивающей требуемую защиту проема, определяются только на основании решения закона сохранения импульса в зоне проема, включающего наружные ограждения. Обратимся непосредственно к работе В. М. Эльтермана [3]. Там говорится, что решение исходных уравнений сохранения количества масс (уравнение 1) и количества энергии (уравнение 2) сделано "для рационально устроенных воздушных завес" (с. 11). "Рациональным устройство завесы будет тогда, когда струя завесы полностью тормозится силой разности давления (т. е. теряет скорость в направлении оси X) и участок контрольной поверхности НАБВ (рис. 7) не пересекают потоки, выходящие из объема, ограниченного этой поверхностью, наружу" (с. 11, 12). Как видно из приведенных выдержек, геометрические построения траектории и границ струи (рис. 7 [3]) в дополнение уравнениям количества масс и количества энергии потребовались. Более того, при рассмотрении теплового баланса в проеме ворот указывается: "При выводе формулы (37) учитывалось также то обстоятельство, что когда ось струи воздушной завесы пересекает плоскость ворот у верхней кромки, в ворота проходит половина объема воздуха, подаваемого в завесу…" (с. 35). Одновременно В. М. Эльтерман указывает (с. 13): "Как показали опыты, оба указанных выше требования к рациональному устройству завес хорошо выполняются, когда выпуск воздуха производится в плоскости ворот и величина q меньше предельной, указанной в табл. 1".

Следовательно, проверка "рациональности устройства завес" осуществляется все-таки по прохождению траектории струи и может быть заменена некоторыми численными ограничениями на основании тех или иных опытных данных. Отметим, что в табл. 1 имеются значения q > 1. Рассмотрим более подробно основополагающие уравнения 1 и 2 по [3].

Уравнение 1:

Gпр = Gн + Gз,

где Gпр - количество воздуха, проходящее через проем;
Gн - количество наружного воздуха, проходящее через проем;
Gз - количество воздуха, поданного в завесу. Разделив обе части этого уравнения на Gпр, получим:

1 = Gн/Gпр + q,

где q = Gз/Gпр.

Поскольку для "рационально устроенных завес" наружный воздух не может уменьшать количество воздуха, проходящее через проем, Gн/Gпр > 0, но тогда q 1. Однако в табл. 1 приведены значения q, существенно большие 1. Это обстоятельство порождает значительные сомнения в том, что "…оба указанных выше требования к рациональному устройству завес хорошо выполняются, когда выпуск воздуха производится в плоскости ворот и величина q меньше предельной, указанной в табл. 1".

Уравнение 2:

,

где Fв - площадь ворот;
Fщ - суммарная площадь щелей, через которые выходит струя воздушной завесы;
F - площадь плоскости АБ;
- коэффициент расхода воздуха через ворота, защищенные завесой;
- поправочный коэффициент на количество движения, учитывающий неравномерность поля скоростей;
vсж - средняя скорость движения воздуха в сжатом сечении за воротами;
vз - скорость выхода воздуха из щели воздушной завесы;
- плотность воздуха, выходящего из завесы; .см - плотность воздуха при температуре смеси воздуха завесы и наружного воздуха;
Rс - среднее реактивное давление стены в пределах плоскостей ВГ и МН;
- угол между направлением выхода струи завесы и плоскостью ворот;
- угол между направлением скорости vсж и осью X (рис. 7а).

В левой части уравнения два слагаемых, первое из которых - проекция на ось Х количества движения потока воздуха, проходящего через проем; второе - проекция на ось Х количества движения потока воздуха, подаваемого в завесу. В первом слагаемом присутствует коэффициент µ - "коэффициент расхода воздуха через ворота, защищенные завесой". Обычно этот коэффициент определяют из решения уравнений сохранения энергии и количества движения, но в сами эти уравнения коэффициент расхода не входит. Введение коэффициента расхода в уравнение количества движения приводит к тому, что количество движения потока воздуха, проходящего через проем, изменяется по непонятной причине кратно величине µ. Очевидно, что баланс количества движения нарушен.

Таблица 1 [3]
Fщ /Fв Угол , градусы
90 60 45 30
1/20 0,3 0,86 1,5 2,8
1/30 0,25 0,7 1,2 2,3
1/40 - 0,6 1,0 2,0

Кроме того, второе слагаемое левой части уравнения 2, которое по физической картине течения должно вычитаться из первого слагаемого - "знак минус показывает, что проекция скорости направлена навстречу оси Х" (с. 7 [3]), в уравнении 2 складывается. Указанные обстоятельства позволяют считать уравнения, определяющие взаимосвязь относительного расхода q, коэффициента расхода µ, отношения площадей щели завесы и ворот, угла между направлением выхода струи завесы и плоскостью ворот, полученные в результате решения уравнения 2, необоснованными.

При усовершенствовании метода В. М. Эльтермана [5, 6] предлагается учитывать распределение температуры в поперечном сечении струи и определять точку поперечного сечения, в которой расход струи делится между помещением и наружной атмосферой. Далее предполагается, что указанная точка всегда имеется (струя всегда достигает ограждения проема) и определяется относительным расходом завесы q = Gз/Gпр и относительной длиной струи до ее соприкосновения с ограждением проема f = Fпр/Fщ. Значения q и f предварительно задаются (в [7] рекомендуется принимать q = 0,5-0,6; f = 20-30), затем определяют температуру воздуха на выходе из щели, расход и скорость воздуха на выходе из щели и проводят оптимизацию воздушной завесы по критерию приведенных затрат. При этом А. С. Стронгин и М. В. Никулин [2] считают, что "…в том числе оптимальным может быть случай, когда в проем ворот входит только начальный расход завесы (без присоединения наружного воздуха)". Следовательно, по мнению наших оппонентов, во всем диапазоне значений q и f траектория струи такова, что имеется точка поперечного сечения, в которой струя соприкасается с ограждением проема, и длина траектории струи зависит только от величины угла между направлением выхода воздуха из щели и плоскостью проема без учета искривления траектории под действием поперечного потока.

"Для оптимальных значений угла выпуска воздуха ( = 30 °) длина траектории составляет хА = 1,05f" [5]. Без учета искривления длина траектории составляет . (В качестве справки укажем, что 1/cos 30 ° = 1,155.)

При этом проверка правильности выбора завесы не производится. В свете высказанного странными выглядят замечания в наш адрес: "Достаточным условием обеспечения шиберирующих свойств не является прохождение наружной границы струи через определенную точку…" [2].

Рисунок 1.

Зависимость коэффициента расхода µ от коэффициента отношения расходов q (f=30, = 45°).

Об экспериментальной проверке метода В. М. Эльтермана и предложенного метода

Подтверждение справедливости метода В. М. Эльтермана заключается в сопоставлении полученной теоретической зависимости µ = F(q) с экспериментальными данными: "…расчетные значения, определенные по формуле 9, хорошо совпадают с опытными (см. § 3)" (с. 13 [3]). Но, как было показано выше, теоретические зависимости не имеют физической основы.

Поэтому сопоставление экспериментальных данных с ними не может служить подтверждением правильности теории. Из описания условий эксперимента видно, что проверка условий "рационально устроенных завес" проводилась только на соответствие значений q предельным значениям из табл. 1. Не проверялось и соблюдение уравнения 1.

Представленные выше результаты рассмотрения метода В. М. Эльтермана побудили к разработке альтернативного метода расчета воздушных завес.

На основании математической модели, позволяющей строить траекторию струи завесы, мы численно провели эксперимент, аналогичный описанному в [3] для двухсторонней завесы с f = 30, углом между направлением выхода воздуха из щели завесы и плоскостью проема = 45 °, µ 0 = 0,8. В зависимости от расположения струи завесы относительно проема рассматривались два случая:
1. Струя завесы не достигает дальней стенки проема.
2. Струя завесы достигает дальней стенки проема и разделяется на две части, одна из которых (внутренняя) попадает в проем.

В первом случае расход воздуха через проем равен сумме расхода струи завесы и расхода наружного воздуха, врывающегося вместе со струей. Этот расход вычислялся как произведение площади проема, не перекрытой струей, на скорость воздуха в проеме. Скорость воздуха в проеме определялась по заданному перепаду давления на проеме и коэффициенту расхода свободного проема.

Во втором случае расход воздуха через проем вычислялся аналогично тому, как это сделано в [8].

Полученные в результате значения µ и q нанесены на график из [3], приведенный также в [2] (рис.1). качественно и в достаточной степени количественно коррелируются с экспериментальными данными [3].

Следует отметить, что при численном моделировании нами установлено, что в рассматриваемом случае точка q = 0,5, µ = 0,246 соответствует режиму, когда струя завесы перекрывает проем и не вырывается наружу. Исследование экспериментальных данных Г. Т. Татарчук [9] показало, что призначении µ = 0,24-0,25 также имеет место стабилизация значения µ (рис. 2 [9]).

Кроме того, в случае когда струя завесы перекрывает проем и не вырывается наружу, потери тепла с частью струи, уходящей наружу Q0, должны быть равны 0.

На основании рис. 5 [9] мы построили зависимость значений q0, которым соответствует значение Q0 = 0 (рис. 2).

Там же нанесены значения q0, вычисленные нами на основании вышеуказанной математической модели. При моделировании опытов Г. Т. Татарчук µ0 = 0,64 и = 30°.

Из рис. 2 видно, что наши данные качественно коррелируются с экспериментальными данными [9]. <,br> Мы приводим эти данные для того чтобы показать, что математическая модель течения струи завесы, основанная на теории течения струи в поперечном потоке, позволяет получать результаты, сопоставимые с экспериментальными данными.

Приведенные в [1] расчетные траектории завес иллюстрируют их сопоставимость с теплограммами по расположению траектории струи относительно проема.

Средняя температура воздуха в сечении, соответствующем концу струи, определялась по распределению температуры в сечении. Автору работы [5] должно быть понятно, что при известных (из теплограммы) температурах на оси и по границам струи можно определить среднюю по сечению температуру. Относительно замечаний по табл. 4.2 [1] следует отметить, что из рис. 2 видно, что 3,5 м - это размер вдоль струи (завеса верхняя). Поэтому скорость выпуска нужно считать при длине щели 1,5 м.

Рисунок 2.

Зависимость отношения расходов воздуха через щель завесы и черзе проем при нулевых тепловых потерих струи, q0, отношения проходных сечений проема и щели завесы, f

Заключение

Наш подход к подбору воздушных завес строится на следующих факторах.

При рационально выполненной завесе сквозь проем проходит только струя завесы. При этом температура воздуха, проходящего через проем, даже в случае прохождения части струи вне проема, будет не ниже значения средней температуры в сечении струи, первым соприкасающимся с ограждением проема. Поэтому мы не определяли среднюю температуру части струи, попадающей в проем в случае разделения струи, хотя такая возможность имеется. Для проверки выполнения в выбранной завесе условия перекрытия проема строится траектория струи этой завесы, что дает возможность оценить расположение струи относительно проема и принять решение о пригодности выбранной завесы. Задание значения средней скорости воздуха в сечении струи, первым соприкасающимся с ограждением проема (средняя скорость в конце струи), или, что более точно, соотношения средней скорости и скорости в проеме ворот без завесы, позволяет при подборе завесы определить условия формирования траектории струи при воздействии поперечного потока.

В заключение мы обращаемся ко всем заинтересованным лицам с просьбой сообщать нам любые сведения о натурных испытаниях завес, что позволит нам проверять и совершенствовать метод расчета воздушных завес.

Литература

1. Дискин М. Е. К вопросу о расчете воздушных завес // АВОК. 2003. № 7.

2. Стронгин А. С., Никулин М. В. К вопросу о расчете воздушно-тепловых завес // АВОК. 2004. № 1.

3. Эльтерман В. М. Воздушные завесы. М.: Машиностроение, 1966.

4. Гиршович Т. А. Турбулентные струи в поперечном потоке. М.: Машиностроение, 1993.

5. Никулин М. В. Теплообмен струи воздушной завесы // Гидромеханика отопительно-вентиляционных устройств. Казань, 1989.

6. Стронгин А. С., Никулин М. В. Новый подход к расчету воздушно-тепловых завес // Строительство и архитектура. Изв. ВУЗов. 1991. № 1.

7. Справочник проектировщика: Внутренние санитарно-технические устройства. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 1 / В. Н. Богословский, А. И. Пирумов, В. Н. Посохин и др.; Под ред. Н. Н. Павлова и Ю. И. Шиллера. 4-е изд., перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1992.

8. Титов В. П. Особенности струй воздушных завес // Тепловой режим систем отопления, вентиляции, кондиционирования и теплогазоснабжения: Сб. трудов. М.: МИСИ, 1980. № 177.

9. Татарчук Г. Т. Уточнение метода расчета воздушных завес // Отопление и вентиляция промышленных и сельскохозяйственных зданий: Сб. трудов. М.: НИИСТ, Стройиздат, 1966. № 16.

 

Тел. (095) 504-25-40

 

Обсудить статью на Форуме АВОК

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №3'2004

распечатать статью распечатать статью


Статьи по теме

Реклама
Реклама на нашем сайте
Rambler's Top100 Rambler's Top100 Яндекс цитирования



Кондиционирование, отопление, вентиляция

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте