Формирование воздушной струи. Учебное пособие для студентов вузов рекомендовано методической комиссией механического факультета для студентов всех форм обучения, специальности Ламинарный и турбулентный воздушный поток

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Воздушная струя

Введение

Теория струйных течений газа (воздуха) применяется в устройствах систем вентиляции, воздушных душей, воздушных завес, при расчете подачи или отсасывания масс воздуха через вентиляционные решетки, горелок и др.

Вентиляция (от лат. ventilatio - проветривание) - процесс удаления отработанного воздуха из помещения и замена его наружным. В необходимых случаях при этом проводится: кондиционирование воздуха, фильтрация, подогрев или охлаждение, увлажнение или осушение, ионизация и т. д. Вентиляция обеспечивает санитарно-гигиенические условия (температуру, относительную влажность, скорость движения воздуха и чистоту воздуха) воздушной среды в помещении, благоприятные для здоровья и самочувствия человека, отвечающие требованиям санитарных норм, технологических процессов, строительных конструкций зданий, технологий хранения и т. д.

Также под этим термином в технике часто имеются в виду системы оборудования, устройств и приборов для этих целей.

Различают два основных способа вентиляции зданий: вентиляция вытеснением и вентиляция перемешиванием.

Вентиляция вытеснением преимущественно используется для вентилирования больших промышленных помещений, поскольку она может эффективно удалять излишки тепловыделений, если правильно рассчитана. Воздух подается на нижний уровень помещения и течет в рабочую зону с малой скоростью. Этот воздух должен быть несколько холоднее, чем воздух помещения, чтобы работал принцип вытеснения. Этот метод обеспечивает прекрасное качество воздуха, но он менее пригоден для использования в офисах и других небольших помещениях, поскольку терминал направленной подачи воздуха занимает довольно много места, и часто непросто избежать сквозняков в рабочей зоне.

Вентиляция перемешиванием является предпочтительным способом раздачи воздуха в ситуациях, когда необходима, так называемая, комфортная вентиляция. Основой этого метода является то, что подаваемый воздух поступает в рабочую зону уже смешанным с воздухом помещения. Расчет системы вентиляции должен быть сделан таким образом, чтобы воздух, циркулирующий в рабочей зоне, был достаточно комфортным. Другими словами, скорость воздуха не должна быть слишком большой, и температура внутри помещения должна быть более или менее однородной.

Воздушная струя, входящая в помещение, вовлекает в поток и перемешивает большие объемы окружающего воздуха. В результате объем воздушной струи увеличивается, тогда, как ее скорость снижается тем больше, чем дальше он проникнет в помещение. Подмешивание окружающего воздуха в воздушный поток называется эжекцией.

Рис. 1. Эжекция

Движения воздуха, вызванные воздушной струей, вскоре тщательно перемешивают весь воздух в помещении. Загрязняющие примеси, находящиеся в воздухе, не только распыляются, но и равномерно распределяются. Температура в различных частях помещения также выравнивается.

При расчетах вентиляции перемешиванием самым важным моментом является обеспечение того, чтобы скорость воздуха в рабочей зоне не была слишком высокой, иначе возникает ощущение сквозняка.

Обоснование

Воздушный душ- это устройство в системе местной приточной вентилции, обеспечивающее подачу сосредоточенного потока воздуха, создающего в зоне непосредственного воздействия этого потока на человека.

Воздушный душ применяется на фиксированных рабочих местах или в местах отдыха. Особенно эффективны в производственных помещениях (рис),где работающие находятся под воздействием высокой температуры. Установки для воздушных душей бывают стационарные и передвижные.

Воздушная завеса (тепловая завеса, воздушно-тепловая завеса) - создает невидимый барьер воздушного потока.

Завесы могут быть с электрическим, водяным, паровым, газовым нагревом, а также без нагрева.

По монтажу:

· завесы вертикального монтажа;

· завесы горизонтального монтажа;

· завесы скрытого монтажа (встраиваемые в / за фальшь потолок, дверной проем).

По типу нагрева:

· завесы с нагревом (завесы с нагревом принято называть воздушно-тепловыми или же тепловыми завесами, так как экранирование дверного проема осуществляется подогретым воздухом);

· завесы без нагрева (завесы без нагрева принято называть ("холодным потоком").

В конструкцию тепловой завесы входят:

· электронагреватель или водяной нагреватель, а также большие промышленные тепловые завесы могут оснащаться паровым или газовым нагревателем (в случае если завеса с нагревом, в завесе без нагрева отсутствует такого рода нагреватель);

· вентиляторы;

· воздушный фильтр (для моделей с водяным нагревом).

Вентиляционные решётки представляют собой конструкции, которые сегодня нашли широкое применение в строительной отрасли при внутренней и наружной отделке помещений и зданий, прокладке коммуникационных систем. Они выполняют функции воздухораспределительного устройства в системах вентиляций различного типа. Сегодня эти конструкции используются при монтаже и наладке работы приточно-вытяжных вентиляций.

Современные модели решёток могут использоваться не только для распределения воздуха, но и для его подачи или удаления. Всё зависит от типа вентиляционной системы. Такие конструкции очень часто можно встретить в частных домах, административных и торговых зданиях, офисных помещений. То есть их использование целесообразно в тех помещениях, где возникает необходимость в создании и поддержании оптимальных температурных и влажностных показателей.

Научная теория воздушных струй

Струя газа называется затопленной, если она распространяется в среде с теми же физическими свойствами, что и у нее самой. При изучении движения воздуха в системах вентиляции встречаются различные случаи распространения затопленных струй. Но при рассмотрении этих случаев в качестве исходной используется схема свободной струи. Свободная струя - это струя, распространяющаяся в безграничной среде. (Струя, не ограниченная твердыми стенками, называется свободной.) Струя при этом может истекать в неподвижную среду, а так же в поток воздуха.

В данном случае различают:

· Струнную струю, струя, истекающая в поток, направление скорости которого совпадает с направлением струи.

· Струю в сносящем потоке, если скорость потока направлена под углом к оси струи.

· Струю во встречном потоке, когда векторы продольной скорости струи и скорости потока направлены навстречу друг другу.

По виду энергии, расходуемой на образование струи, различают:

· Приточные (механические) струи, создаваемые вентилятором, компрессором, эжектором и т.п.

· Конвективные струи, образующиеся вследствие нагревания или охлаждения воздуха вблизи горячих или холодных поверхностей различных тел.

Струи различают также по форме начального сечения:

· Если сечение круглое, то струя называется осимметричной.

· Если сечение имеет вид бесконечно длинной полосы постоянной высоты, то она называется плоскопараллельной или плоской.

Температуры струи и окружающей среды могут быть одинаковыми или различными.

В соответствии с этим различают струи изотермические и неизотермические. На рис. 3 показана воздушная струя, которая формируется в случае, когда воздух принудительно подается в помещение через отверстие в стене. В результате появляется свободная воздушная струя. Если температура воздуха в струе такая же, как и в помещении, она называется свободной изотермической струей.

По степени воздействия окружающего пространства на характер движения струи различают:

· струи свободные;

· полуограниченные или настильные, движущие вдоль ограничивающей пространство плоскости;

· ограниченные (стесненные), вытекающие в пространство конечных размеров, соизмеримых с начальными размерами струи.

В зависимости от режима истечения струи могут быть:

· ламинарными (течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций);

· турбулентными (форма течения жидкости или газа, при которой их элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущихся жидкости или газа).

В системах вентиляции наблюдаются турбулентные струи. Еще одно определение: если в начальном сечении имеются вращательные составляющие скорости, то такая струя называется закрученной.

Подробнее. При турбулентном движении наряду с осевым движением существует и поперечное движение частиц. При этом частицы попадают за пределы струи и переносят в граничащие со струей массы неподвижного воздуха свое количество движения, увлекают (эжектируют) эти массы, придавая им определенную скорость.

На место ушедших из струи частиц в нее попадают частицы из окружающего воздуха, которые подтормаживают граничные слои струи. Следствием этого обмена импульсами между струей и неподвижным воздухом появляется возрастание массы струи и убывание скорости у ее границ.

Подторможенные частицы струи вместе с увлеченными частицами окружающего воздуха образуют турбулентный пограничный слой, толщина которого по мере удаления от выходного отверстия непрерывно возрастает. соприкасаясь с внешней стороны с неподвижной средой (?? = 0), а свнутреннй стороны - с ядром постоянной скорости (?? = ?? 0), пограничный слой приобретает переменный профиль скоростей. Рис.4.

Ядро постоянной скорости по мере удаления от выходного отверстия и утолщения пограничного слоя сужается, пока полностью не исчезнет. После этого пограничный слой уже заполняет все сечение струи, включая и ось потока.

Поэтому дальнейшее размывание струи сопровождается возрастанием ее ширины и при этом падает скорость на оси.

Сечение струи, в котором завершается размыв ядра постоянной скорости и на оси которого обе половины пограничного слоя смыкаются, называется переходным сечением. Участок струи, расположенный между выходным отверстием и переходным сечением, в котором скорость на оси остается неизменной и равной начальной скорости?? 0 , называется начальным. Участок, следующий за переходным сечением, в котором скорость на оси постепенно уменьшается и затухает, называется основным. Границы струи, как внешняя, так и ядра постоянной скорости, прямолинейны. Точка О пересечения внешних границ струи называется полюсом струи.

Статическое давление в разных точках струи изменяется несущественно и приблизительно равно давлению окружающего пространства, т.е. свободную струю можно считать изобарической.

Основными параметрами турбулентной струи являются осевая скорость??, диаметр D для круглых сечений и ширина?? для плоских струй, расход воздуха?? и средняя скорость??.

Из теоретических и экспериментальных исследований Генриха Наумовича Абрамовича следует, что основные параметры струи зависят от коэффициента турбулентности а, характеризующего интенсивность перемешивания и зависящего от конструкции насадка, из которого вытекает струя. (Генрих Наумович Абрамович (1911 - 1995) - советский учёный в области теоретической и прикладной газовой динамики).

Чем больше коэффициент турбулентности а, тем интенсивнее перемешивание и больше угол одностороннего расширения струи.

Таблица значений коэффициента турбулентности а и угла расширения струи 2?? для некоторых типов насадков.

Определение. Струя форма течения, при которой жидкость (газ) течет в окружающем пространстве, заполненном жидкостью (газом) с отличающимися от нее физическими параметрами: скоростью, температурой, составом и т. п. Струйные течения разнообразны - от струи ракетного двигателя до струйного течения в атмосфере. Воздушная струя - это воздушный поток, образующийся при выходе из воздухопровода в пространство большого объёма, не имеющий твёрдых границ.

Распределение и форма. Воздушная струя состоит из нескольких зон с различными режимами потоков и скоростями перемещения воздуха. Зона, представляющая наибольший практический интерес, - это основной участок. Скорость в центре (скорость вокруг центральной оси) является обратно пропорциональной расстоянию от диффузора или клапана, т. е. чем дальше от диффузора, тем меньше скорость воздуха. Воздушная струя полностью развивается на основном участке, и превалирующие здесь условия будут оказывать решающее воздействие на режим потоков в помещении в целом.

Основной участок воздушной струи, скорость наклона. От формы диффузора или проходного отверстия воздухораспределителя зависит форма воздушной струи. Круглые или прямоугольные проходные отверстия создают компактную воздушную струю конической формы. Для того чтобы воздушная струя была абсолютно плоской, проходное отверстие должно быть более чем в двадцать раз шире своей высоты или таким же широким, как помещение. Воздушные веерные струи получаются при прохождении через совершенно круглые проходные отверстия, где воздух может распространяться в любых направлениях, как в приточных диффузорах.

Рис. 5. Различные типы воздушных струй

вентиляция завеса воздушный эжекция

Скоростной профиль. Скорость воздуха в каждой части струи можно рассчитать математически. Для расчета скорости на определенном расстоянии от выходного отверстия диффузора/клапана, необходимо знать скорость воздуха на выходе из диффузора/клапана, его форму и тип воздушной струи, который им формируется. Таким же образом, возможно, рассмотреть, как варьируют скорости в каждом профиле струи.

Используя эти расчеты, можно нарисовать кривые скорости для всей струи. Это дает возможность определить области, которые имеют одну и ту же скорость. Эти области называются изовелами (линии постоянной скорости). Убедившись, что изовела, соответствующая 0,2 м/сек, находится за пределами рабочей зоны, можно быть уверенным, что скорость воздуха не превысит этот уровень непосредственно в рабочей зоне.

Рис. 6. Различные изовелы воздушной струи

Коэффициент диффузора. Коэффициент диффузора - постоянная величина, которая зависит от формы диффузора или клапана. Коэффициент можно рассчитать теоретически с использованием следующих факторов: импульсное рассеивание и сужение воздушной струи в точке, где она подается в помещение, и степень турбулентности, созданная диффузором или клапаном.

На практике коэффициент определяют для каждого типа диффузора или клапана, измеряя скорость воздуха как минимум в восьми точках, находящихся на разном расстоянии от диффузора/клапана и не менее чем в 30 см друг от друга. Эти значения затем наносят на график с логарифмическим масштабом, который показывает замеренные величины для основного участка воздушной струи, а это, в свою очередь, дает значение для константы.

Коэффициент диффузора дает возможность рассчитать скорости воздушной струи и спрогнозировать распределение и путь воздушной струи. Этот коэффициент отличен от коэффициента К, который используется для введения верного значения объема воздуха, выходящего из приточного воздухораспределителя или ирисового клапана. Коэффициент К описан на странице 390.

Эффект настилания. Если воздухораспределитель установлен в достаточной близости от плоской поверхности (обычно это потолок), выходящая воздушная струя отклоняется в ее сторону и стремится течь непосредственно по поверхности. Этот эффект возникает вследствие образования разряжения между струей и поверхностью, а так как нет возможности подмеса воздуха со стороны поверхности, то струя отклоняется в ее сторону. Это явление называется настилающим эффектом.

Рис. 7. Настилающий эффект

Практические эксперименты показали, что расстояние между верхней кромкой диффузора или клапаном и потолком не должно превышать 30 см, чтобы возник настилающий эффект. Эффект настилания можно использовать для того, чтобы увеличить путь холодной воздушной струи вдоль потолка до внедрения ее в рабочую зону. Коэффициент диффузора будет несколько выше при возникновении настилающего эффекта, чем при свободном воздушном потоке. Также важно знать, как крепится диффузор или клапан при использовании коэффициента диффузора для проведения различных расчетов.

Неизотермическая воздушная струя. Распределение становится более сложной, когда подаваемый воздух теплее или холоднее, чем внутри помещения. Тепловая энергия, возникающая в результате разницы в плотности воздуха при различных температурах, заставляет более холодный воздушный поток двигаться вниз (струя тонет), а более теплый воздух устремляется вверх (струя всплывает).

Это означает, что две различные силы оказывают воздействие на холодную струю, находящуюся у потолка: эффект настилания, который старается прижать ее к потолку, и тепловая энергия, которая стремится опустить ее к полу.

На определенном расстоянии от выхода диффузора или клапана тепловая энергия будет преобладать, и воздушная струя в конечном итоге отклонится от потолка.

Отклонение струи и точка отрыва могут быть рассчитаны с помощью формул, основанных на температурных дифференциалах, на типе выходного отверстия диффузора или клапана, а также на скорости воздушного потока и т. д.

Рис. 8. Точка отрыва воздушной струи (Хm) и отклонение (Y)

Важные критерии при расчете вентиляции. Важно правильно выбрать и разместить воздухораспределитель. Важно также, чтобы в рабочей зоне температура и скорость воздуха были приемлемыми.

Расстояние х 0 от полюса до выходного отверстия:

круглая струя - х 0 = ;

· плоская струя - х 0 = . Где?? 0 -диаметр отверстия или насадка; ?? 0 - половина высоты плоского насадка.

Длина начального участка х н струи:

круглой - х н = ;

плоской - х н = .

Осевая скорость?? в основном участке на расстоянии х от полюса струи:

· круглой - ?? = ;

· плоской - ?? = .

Расход воздуха?? в основном участке на расстоянии х от полюса струи:

· круглой - ?? = 4,36?? 0 ();

· плоской (на единицу ширины насадка) - ?? = 1,2?? 0 .

Диаметр круглой струи в основном участке на расстоянии х от полюса струи:

Средняя скорость в основном участке струи:

· круглой - ?? = ;

· плоской - ?? = .

Высота плоской струи:

4,8?? 0 ().

Правильная скорость воздуха в рабочей зоне. Для большинства воздухораспределительных устройств в каталоге приведена характеристика, называемая длина струи. Под длиной струи понимается расстояние от приточного отверстия диффузора или клапана до сечения воздушной струи, в котором скорость ядра потока снижается до определенного значения, обычно до 0,2 м/сек. Длина струи обозначается и измеряется в метрах.

Рис. 9. Понятие "Длина струи"

Первое, что принимается во внимание при расчетах систем воздухорас-пределения,- это то, как избежать слишком высоких скоростей воздушного потока в рабочей зоне. Но, как правило, в рабочую зону попадает отраженный или обратный ток этой струи: см. рис.10.

Рис. 10. Обратный воздушный поток при установленном на стене диффузоре

Скорость обратного воздушного потока составляет примерно 70 % от скорости, основной воздушной струи у стены. Это означает, что диффузор или клапан, установленный на задней стене, подающий струю воздуха с конечной скоростью 0,2 м/сек, вызовет скорость воздуха в обратном потоке 0,14 м/сек. Что соответствует комфортной вентиляции в рабочей зоне, скорость воздуха в которой не должна превышать 0,15 м/с.

Длина струи для описанного выше диффузора или клапана такая же, как длина помещения, и в данном примере является прекрасным выбором. Приемлемая длина струи для установленного на стене диффузора лежит между 70 % и 100 % длины помещения.

Проникающая способность воздушной струи. Форма помещения может оказать существенное влияние на конфигурацию потока. Когда поперечное сечение воздушного потока составляет более 40 % от поперечного сечения помещения, эжекция воздуха помещения в поток прекратится. В результате воздушная струя начнет подмешивать собственный воздух. При этом увеличение скорости подаваемого воздуха не решит проблему, поскольку проникающая способность останется прежней, увеличится только скорость воздушной струи и окружающего воздуха в помещении.

В той части помещения, куда не доходит основной воздушный поток, начнут появляться другие воздушные потоки, вторичные вихри. Однако, если длина помещения менее чем в три раза больше его высоты, можно предположить, что воздушная струя проникнет до конца помещения.

Рис. 11. Вторичные вихри образуются в самом дальнем конце помещения, куда не доходит воздушная струя

Обтекание препятствий. Воздушная струя при наличии препятствий на потолке в виде перекрытий, светильников и др., если они расположены слишком близко от диффузора, может отклониться и опуститься в рабочую зону. А потому необходимо знать, какое расстояние должно быть (А на графике) между устройством, подающим воздух, и препятствиями для свободного продвижения струи воздуха.

Рис. 12. Минимальное расстояние до препятствия

Установка нескольких воздухораспределителей. Если один потолочный диффузор предназначен для обслуживания всего помещения, он должен быть размещен как можно ближе к центру потолка, и общая площадь не должна превышать размеров, указанных на рис. 12.

Рис. 12. Небольшое помещение, вентилируемое одним потолочным диффузором

Если помещение большое, необходимо разделить его на несколько зон, и в каждой зоне поместить по диффузору.

Рис. 13. Большое помещение, вентилируемое несколькими потолочными диффузорами

Помещение, вентилируемое несколькими настенными диффузорами, также делят на несколько зон. Количество зон зависит от растояния между диффузорами, достаточного для предотвращения воздействия друг на друга. Если два воздушных потока смешиваются, получается один поток с большей длиной струи.

Рис. 14. Большое помещение, вентилируемое несколькими настенными диффузорами

Подача теплого воздуха. Горизонтально подаваемый потолочным диффузором теплый воздух хорошо обогревает помещения с высотой потолков до 3,5 метров, повышая комнатную температуру на 10-15°С.

Рис. 15. Горизонтальная подача воздуха потолочным диффузором

Однако в очень высоких помещениях подаваемый воздух должен быть направлен вертикально вниз, если он используется и для обогрева помещения. Если разница температур не более 10°С, то воздушная струя должна опуститься примерно до 1 м от пола, чтобы температура в рабочей зоне стала комфортной.

Рис. 16. Вертикальная подача воздуха потолочного диффузора

Подача холодного воздуха. Если подаваемый вдоль потолка воздух холоднее воздуха в помещении, важно, чтобы скорость воздушной струи была достаточно высока, чтобы обеспечить ее прилегание к потолку. Если ее скорость будет слишком мала, существует риск того, что тепловая энергия может направить воздушную струю вниз к полу слишком рано.

На определенном расстоянии от диффузора, подающего воздух, воздушная струя в любом случае отделится от потолка и отклонится вниз. Это отклонение случится быстрее для воздушной струи, которая имеет температуру ниже комнатной, а потому в этом случае длина струи будет короче.

Рис. 17. Разница между длиной изотермической и неизотермической струй

Воздушная струя должна пройти, по крайней мере, 60 % глубины помещения, прежде чем отделиться от потолка. Максимальная скорость воздуха в рабочей зоне будет, таким образом, почти такой же, как и при подаче изотермического воздуха.

Когда температура подаваемого воздуха ниже комнатной, воздух в помещении будет до некоторой степени охлаждаться. Приемлемый уровень охлаждения (известный как максимальный эффект охлаждения) зависит от требований к скорости воздуха в рабочей зоне, от расстояния до диффузора, на котором воздушная струя отделяется от потолка, и также от типа диффузора и его местоположения.

В общем, большая степень охлаждения достигается при использовании потолочного, а не настенного диффузора. Это происходит потому, что потолочный диффузор распространяет воздух во всех направлениях, а потому ему требуется меньше времени для смешивания с окружающим воздухом и для выравнивания температуры.

Правильный выбор воздухораспределителя. Воздухораспределители могут крепиться либо на потолок, либо на стену. Они часто оборудованы соплами или имеют перфорацию, что облегчает подмешивание окружающего воздуха в воздушный поток.

Сопловые диффузоры являются наиболее гибкими устройствами, поскольку допускают индивидуальную настройку каждого сопла. Они идеальны для подаваемого воздуха, температура которого значительно ниже температуры в помещении, особенно если они установлены на потолке. Модель распределения может изменяться путем поворота сопел в различных направлениях.

Диффузоры с перфорацией дают положительный эффект там, где температура воздушной струи существенно ниже температуры окружающего воздуха. Они не так гибки, как сопловые диффузоры, но при помощи экранирования подаваемого воздушного потока в различных направлениях можно изменить модель распределения.

Настенные решетки имеют большую длину струи. Они имеют ограниченные возможности для изменения модели распределения и не очень подходят для подаваемого воздуха, имеющего температуру значительно ниже температуры окружающего воздуха.

Заключение

Итак, воздушная струя - основной элемент работы вентиляционного оборудования. В этой работе были рассмотрены виды вентиляции и их оборудования, формы воздушных струй и их разновидности. Особое внимание было уделено на применении воздушных струй. Здесь в заключении можно их расширить.

Еще в незапамятные времена люди впервые поставили парус, и ветер понес их лодки по воде или сани по льду и снегу. Однако с тех пор воздушным потокам нашлось столько работы, что стоит упомянуть об этом особо. Суда под парусом ходят и по сей день. На них плавают по рекам, озерам и даже океанам. Несомненными достоинствами такого способа передвижения являются чистота и тишина (на воде не остаются бензиновые пятна и не шумит мотор), да и бензин не приходится покупать. Спортсмены же плавают под парусом не только на лодках, но даже просто на досках.

Другие спортсмены используют воздушные потоки для свободных полетов.

Воздух используется и для вполне земных работ. В прежние времена ветер крутил крылья ветряной мельницы. Теперь на место жерновов установили генератор электроэнергии, который преобразует энергию ветра в электрическую - получилась ветровая электростанция.

Мы говорили только о естественных воздушных потоках - ветрах. Но ведь можно создать ветер и искусственно. Самое простое - подуть.

Ветер возникает в том случае, когда существует перепад атмосферного давления: в одном месте давление выше, в другом - ниже, воздух начинает двигаться со стороны высокого давления в сторону низкого. Это значит, что если мы откуда-то откачаем воздух (создадим низкое давление), то туда сразу устремится воздух со всех сторон. Если же, наоборот, мы создадим где-то высокое давление, воздух будет рваться оттуда наружу. Теперь оставим воздуху только один путь на свободу - через узкую трубочку. В трубке начнет дуть очень сильный ветер. Когда вам придется сдувать надувной матрас, обратите внимание, какой сильный поток воздуха вырывается через клапан!

Такие искусственные ветры используют, например, в пневмопочте (воздушная почта).

Теперь возьмем трубу и создадим на одном ее конце пониженное давление воздуха. Воздух снаружи сразу устремится в трубу, захватывая по дороге все легкие предметы. Мы получили пылесос.

Тот же принцип пылесоса используется и при погрузке муки. Ее не пересыпают, а просто отсасывают из машины на склад и обратно. Кстати, и мелют муку тоже при помощи ветра, ведь зерна довольно легкие.

Использование воздушной струи в горной промышленности. Вентиляционная струя после прохождения по всем горным выработкам может нести в себе значительное количество низко потенциальной тепловой энергии, которое после проветривания горных работ выбрасывается в атмосферу. Использование энергетического потенциала вентиляционной струи рудников в зависимости от схемы проветривания, естественной температуры горных пород и отдаленности горнодобывающего предприятия от промышленной инфраструктуры может иметь различные показатели экономической эффективности и экологического эффекта.

А вот еще один пример использования воздушной струи. Плазмотрон - современный аппарат резки металлов (хотя был изобретен в 20 веке), использует в своей работе воздух (или любой плазмообразующий газ). Воздух(Air) или другой плазмообразующий газ(смесь газов), пройдя через канал внутри электродного узла и механизм закрутки образует вихревой поток закрученный вдоль продольной оси электрода плазмотрона и выходящий через геометрически соосный с ним канал сопла.

Использованная литература

1. Е.С. Лаптева. «Основы гидравлики и аэродинамики». Алматы,2016.

2. Н.Н.Беляев, П.Б.Машихина. Применение воздушных струй для интенсификации процесса испарения.

3. Статья «Воздушная оболочка земли» Ispolzovanije_vetra.html.

4. Статья «Применение завихрителей воздушного потока для повышения эффективности ветровых установок». http://vikidalka.ru/2-196929.html.

5. Статья «Воздушные потоки». http://ru-ecology.info/term/19749/.

6. Статья «Комбайны будущего. Использование воздушной струи». http://svistun.info/zemledelie/211.

7. Староверов И.Г. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Воздушное отопление с сосредоточенной подачей воздуха с параллельным направлением воздушных струй. Воздушное отопление с сосредоточенной подачей воздуха с веерным направлением воздушных струи.

8. Статья «Теория воздушных струй». Векотех. http://vecotech.com.ua/podbor-e-montazh-dimohodov/666.html.

9. Статья «Внутреннее устройство и принцип работы плазмотрона установок воздушно-плазменной резки металла». http://www.spektrplus.ru/d_plazm.htm.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Описание конструкции воздушных выключателей. Клапан отсечки и электропневматическая схема воздушного выключателя. Принцип осуществления процесса гашения дуги, типы гасительных камер, система вентиляции. Назначение отделителей в воздушных выключателях.

лабораторная работа , добавлен 17.10.2013

Общие сведения о воздушных линиях электропередач, типы опор для них. Понятие и классификация изоляторов провода трассы. Особенности процесса разбивки трассы, монтажа проводов и тросов. Характеристика технического обслуживания воздушных линий до 1000 В.

курсовая работа , добавлен 05.12.2010

Воздушная линия электропередачи - устройство для передачи электроэнергии по проводам. Конструкции опор, изоляторов, проводов. Особенности проведения ремонта и заземления воздушных линий. Монтаж, ремонт, обслуживание воздушных линий электропередач.

дипломная работа , добавлен 10.06.2011

Тепловые насосы, работающие от воздушного источника, принцип их действия. Принципиальная схема работы. Организация работы отопительной системы. Рынок воздушных тепловых насосов в странах Северной Европы. Повышение энергоэффективности воздушных насосов.

курсовая работа , добавлен 01.06.2015

Организация оперативно-диспетчерского управления в операционной зоне Хакасского РДУ. Методы устранения повреждений воздушных линий. Текущий ремонт линейно-кабельных сооружений. Принципы экологической политики. Инвестиционная деятельность подразделения.

отчет по практике , добавлен 16.09.2014

Понятие и общая характеристика воздушных выключателей, их применение в энергосистемах. Схема включения конденсаторов и шунтирующих резисторов. Серии воздушных выключателей. Устранение неполадок в работе прибора, порядок проведения осмотра и обслуживания.

реферат , добавлен 11.01.2012

Изучение различных изопроцессов, протекающих в газах. Экспериментальное определение СP/СV для воздуха. Расчет массы газа, переходящего в различные состояния. Протекание изотермических процессов, определение состояния газа как термодинамической системы.

контрольная работа , добавлен 17.11.2010

Изучение устройств для подвешивания и изоляции проводов и кабелей на опорах воздушной линии электропередачи или воздушных линий связи. Конструкция подвесных изоляторов. Описания проходных, штыревых и линейных изоляторов. Состав тарельчатых изоляторов.

презентация , добавлен 20.04.2017

Исследование конструктивного устройства воздушных, кабельных линий и токопроводов. Анализ допустимых норм потерь напряжения. Расчет электрических сетей по экономической плотности тока. Обзор способов прокладки кабельных линий. Опоры для воздушных линий.

презентация , добавлен 25.08.2013

Классификация воздушных линий: по класу напряжения, конструктивному исполнению, назначению и условиям защиты. Расчет электрических нагрузок и суммарной максимальной дневной и вечерней мощностей. Выбор мощности силового трансформатора ТП-10/0,4 кВ.

Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу. При увеличении скорости до определенной величины струйки воздушного потока кроме поступательной скорости также приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.

Пограничный слой

Пограничный слой - это слой, в котором скорость воздуха изменяется от нуля до величины, близкой к местной скорости воздушного потока.

При обтекании тела воздушным потоком (Рис. 5) частицы воздуха не скользят по поверхности тела, а тормозятся, и скорость воздуха у поверхности тела становится равной нулю. При удалении от поверхности тела скорость воздуха возрастает от нуля до скорости течения воздушного потока.

Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от профиля тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней к задней кромке. В пограничном слое характер движения частиц воздуха отличается от характера движения вне его.

Рассмотрим частицу воздуха А (Рис. 6), которая находится между струйками воздуха со скоростями U1 и U2, за счет разности этих скоростей, приложенных к противоположным точкам частицы, она вращается и тем больше, чем ближе находится эта частица к поверхности тела (где разность скоростей наибольшая). При удалении от поверхности тела вращательное движение частицы замедляется и становится равным нулю ввиду равенства скорости воздушного потока и скорости воздуха пограничного слоя.

Позади тела пограничный слой переходит в спутную струю, которая по мере удаления от тела размывается и исчезает. Завихрения в спутной струе попадают на хвостовое оперение самолета и снижают его эффективность, вызывают тряску (явление Бафтинга).

Пограничный слой разделяют на ламинарный и турбулентный (Рис. 7). При установившемся ламинарном течении пограничного слоя проявляются только силы внутреннего трения, обусловленные вязкостью воздуха, поэтому сопротивление воздуха в ламинарном слое мало.

Рис. 5

Рис. 6 Обтекание тела воздушным потоком - торможение потока в пограничном слое

Рис. 7

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии для поддерживания беспорядочного вихревого движения и, как следствие этого, создается большее по величине сопротивление воздушного потока движущемуся телу.

Для определения характера пограничного слоя служит коэффициент Cf. Тело определенной конфигурации имеет свой коэффициент. Так, например, для плоской пластины коэффициент сопротивления ламинарного пограничного слоя равен:

для турбулентного слоя

где Re - число Рейнольдса, выражающее отношение инерционных сил к силам трения и определяющее отношение двух составляющих - профильное сопротивление (сопротивление формы) и сопротивление трения. Число Рейнольдса Re определяется по формуле:

где V - скорость воздушного потока,

I - характер размера тела,

кинетический коэффициент вязкости сил трения воздуха.

При обтекании тела воздушным потоком в определенной точке происходит переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Эта точка называется точкой перехода. Расположение ее на поверхности профиля тела зависит от вязкости и давления воздуха, скорости струек воздуха, формы тела и его положения в воздушном потоке, а также от шероховатости поверхности. При создании профилей крыльев конструкторы стремятся отнести эту точку как можно дальше от передней кромки профиля, чем достигается уменьшение сопротивления трения. Для этой цели применяют специальные ламинизированные профили, увеличивают гладкость поверхности крыла и ряд других мероприятий.

При увеличении скорости воздушного потока или увеличении угла положения тела относительно воздушного потока до определенной величины в некоторой точке происходит отрыв пограничного слоя от поверхности, при этом резко уменьшается давление за этой точкой.

В результате того, что у задней кромки тела давление больше чем за точкой отрыва, происходит обратное течение воздуха из зоны большего давления в зону меньшего давления к точке отрыва, которое влечет за собой отрыв воздушного потока от поверхности тела (Рис. 8).

Ламинарный пограничный слой отрывается легче от поверхности тела, чем турбулентный.

Уравнение неразрывности струи воздушного потока

Уравнение неразрывности струи воздушного потока (постоянства расхода воздуха) - это уравнение аэродинамики, вытекающее из основных законов физики - сохранения массы и инерции - и устанавливающее взаимосвязь между плотностью, скоростью и площадью поперечного сечения струи воздушного потока.

Рис. 8

Рис. 9

При рассмотрении его принимают условие, что изучаемый воздух не обладает свойством сжимаемости (Рис. 9).

В струйке переменного сечения через сечение I протекает за определенный промежуток времени секундный объем воздуха, этот объем равен произведению скорости воздушного потока на поперечное сечение F.

Секундный массовый расход воздуха m равен произведению секундного расхода воздуха на плотность р воздушного потока струйки. Согласно закону сохранения энергии, масса воздушного потока струйки m1, протекающего через сечение I (F1), равна массе т2 данного потока, протекающего через сечение II (F2), при условии, если воздушный поток установившийся:

m1=m2=const, (1.7)

m1F1V1=m2F2V2=const. (1.8)

Это выражение и называется уравнением неразрывности струи воздушного потока струйки.

F1V1=F2V2= const. (1.9)

Итак, из формулы видно, что через различные сечения струйки в определенную единицу времени (секунду) проходит одинаковый объем воздуха, но с разными скоростями.

Запишем уравнение (1.9) в следующем виде:

Из формулы видно, что скорость воздушного потока струи обратно пропорциональна площади поперечного сечения струи и наоборот.

Тем самым уравнение неразрывности струи воздушного потока устанавливает взаимосвязь между сечением струи и скоростью при условии, что воздушный поток струи установившийся.

Статическое давление и скоростной напор уравнение Бернулли

воздух самолет аэродинамика

Самолет, находящийся в неподвижном или подвижном относительно него воздушном потоке, испытывает со стороны последнего давление, в первом случае (когда воздушный поток неподвижен) - это статическое давление и во втором случае (когда воздушный поток подвижен) - это динамическое давление, оно чаще называется скоростным напором. Статическое давление в струйке аналогично давлению покоящейся жидкости (вода, газ). Например: вода в трубе, она может находиться в состоянии покоя или движения, в обоих случаях стенки трубы испытывают давление со стороны воды. В случае движения воды давление будет несколько меньше, так как появился скоростной напор.

Согласно закону сохранения энергии, энергия струйки воздушного потока в различных сечениях струйки воздуха есть сумма кинетической энергии потока, потенциальной энергии сил давления, внутренней энергии потока и энергии положения тела. Эта сумма - величина постоянная:

Екин+Ер+Евн+Еп=сопst (1.10)

Кинетическая энергия (Екин) - способность движущегося воздушного потока совершать работу. Она равна

где m - масса воздуха, кгс с2м; V-скорость воздушного потока, м/с. Если вместо массы m подставить массовую плотность воздуха р, то получим формулу для определения скоростного напора q (в кгс/м2)

Потенциальная энергия Ер - способность воздушного потока совершать работу под действием статических сил давления. Она равна (в кгс-м)

где Р - давление воздуха, кгс/м2; F - площадь поперечного сечения струйки воздушного потока, м2; S - путь, пройденный 1 кг воздуха через данное сечение, м; произведение SF называется удельным объемом и обозначается v, подставляя значение удельного объема воздуха в формулу (1.13), получим

Внутренняя энергия Евн - это способность газа совершать работу при изменении его температуры:

где Cv - теплоемкость воздуха при неизменном объеме, кал/кг-град; Т-температура по шкале Кельвина, К; А - термический эквивалент механической работы (кал-кг-м).

Из уравнения видно, что внутренняя энергия воздушного потока прямо пропорциональна его температуре.

Энергия положения En - способность воздуха совершать работу при изменении положения центра тяжести данной массы воздуха при подъеме на определенную высоту и равна

где h - изменение высоты, м.

Ввиду мизерно малых значений разноса центров тяжести масс воздуха по высоте в струйке воздушного потока этой энергией в аэродинамике пренебрегают.

Рассматривая во взаимосвязи все виды энергии применительно к определенным условиям, можно сформулировать закон Бернулли, который устанавливает связь между статическим давлением в струйке воздушного потока и скоростным напором.

Рассмотрим трубу (Рис. 10) переменного диаметра (1, 2, 3), в которой движется воздушный поток. Для измерения давления в рассматриваемых сечениях используют манометры. Анализируя показания манометров, можно сделать заключение, что наименьшее динамическое давление показывает манометр сечения 3-3. Значит, при сужении трубы увеличивается скорость воздушного потока и давление падает.

Рис. 10

Причиной падения давления является то, что воздушный поток не производит никакой работы (трение не учитываем) и поэтому полная энергия воздушного потока остается постоянной. Если считать температуру, плотность и объем воздушного потока в различных сечениях постоянными (T1=T2=T3;р1=р2=р3, V1=V2=V3), то внутреннюю энергию можно не рассматривать.

Значит, в данном случае возможен переход кинетической энергии воздушного потока в потенциальную и наоборот.

Когда скорость воздушного потока увеличивается, то увеличивается и скоростной напор и соответственно кинетическая энергия данного воздушного потока.

Подставим значения из формул (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) в формулу (1.10), учитывая, что внутренней энергией и энергией положения мы пренебрегаем, преобразуя уравнение (1.10), получим

Это уравнение для любого сечения струйки воздуха пишется следующим образом:

Такой вид уравнения является самым простым математическим уравнением Бернулли и показывает, что сумма статического и динамического давлений для любого сечения струйки установившегося воздушного потока есть величина постоянная. Сжимаемость в данном случае не учитывается. При учете сжимаемости вносятся соответствующие поправки.

Для наглядности закона Бернулли можно провести опыт. Взять два листка бумаги, держа параллельно друг другу на небольшом расстоянии, подуть в промежуток между ними.

Рис. 11

Листы сближаются. Причиной их сближения является то, что с внешней стороны листов давление атмосферное, а в промежутке между ними вследствие наличия скоростного напора воздуха давление уменьшилось и стало меньше атмосферного. Под действием разности давлений листки бумаги прогибаются вовнутрь.

Аэродинамические трубы

Экспериментальная установка для исследования явлений и процессов, сопровождающих обтекание тел потоком газа называется аэродинамической трубой. Принцип действия аэродинамических труб основан на принципе относительности Галилея: вместо движения тела в неподвижной среде изучается обтекание неподвижного тела потоком газа В аэродинамических трубах экспериментально определяются действующие на ЛА аэродинамические силы и моменты исследуются распределения давления и температуры по его поверхности, наблюдается картина обтекания тела, изучается аэроупругость и т д.

Аэродинамические трубы зависимости от диапазона чисел Маха М разделяются на дозвуковые (М=0,15-0,7), трансзвуковые (М=0,7-1 3), сверхзвуковые (М=1,3-5) и гиперзвуковые (М=5-25), по принципу действия - на компрессорные (непрерывного действия), в которых поток воздуха создается спец компрессором, и баллонные с повышенным давлением, по компоновке контура - на замкнутые и незамкнутые.

Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.

Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.

В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром.

Рис. 12

1- хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 - конфузор 5 - направление потока 6 - рабочая часть с моделью 7 - диффузор, 8 - колено с поворотными лопатками, 9 - компрессор 10 - воздухоохладитель

Рис. 13

1 - хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 конфузор 5 перфорированная рабочая часть с моделью 6 эжектор 7 диффузор 8 колено с направляющими лопатками 9 выброс воздуха 10 - подвод воздуха от баллонов

Рис. 14

1 - баллон со сжатым воздухом 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - выравнивающие сетки 5 - хонейкомб 6 - детурбулизирующие сетки 7 - форкамера 8 - конфузор 9 - сверхзвуковое сопло 10 - рабочая часть с моделью 11 - сверхзвуковой диффузор 12 - дозвуковой диффузор 13 - выброс в атмосферу

Рис. 15

1 - баллон с высоким давлением 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - подогреватель 5 - форкамера с хонейкомбом и сетками 6 - гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 - рабочая часть с моделью 8 - гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 - воздухоохладитель 10 - направление потока 11 - подвод воздуха в эжекторы 12 - эжекторы 13 - затворы 14 - вакуумная емкость 15 - дозвуковой диффузор

В специальных сооружениях строительных комплексов, промышленных зданиях нашли широкое применение системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Эффективное функционирование их зависит от способов подачи воздуха потребителям. Как правило, такая подача осуществляется с использованием струй. Целесообразно поэтому выявить основные закономерности течения струй и получить необходимые расчетные выражения.

Воздушные струи представляют собой перемещающиеся в сплошной среде потоки воздуха (газа), имеющие конечные размеры. Рассмотрим воздушную струю, вытекающую через отверстие (рис. 9.1). По своей форме струя напоминает факел. На границах его с неподвижной воздушной средой развивается множество вихрей. При этом массы неподвижного воздуха вовлекаются в движение, следствием чего будет увеличение расхода в струе при удалении от отверстия. Скорости в струе при этом уменьшаются. Необходимо отметить, что границы струи являются как бы размытыми, так как значения скоростей движения у границ небольшие. На практике границами поперечных сечений струи считают точки, в которых местные скорости составляют около 1 % от значений осевой скорости движения газа. Граничные контуры струи представляют собой кривые линии незначительной кривизны. Для продольного сечения струи криволинейный граничный контур можно аппроксимировать ломаными линиями АСЕ и BDF .

Рис. 9.1

Пусть из отверстия радиусом r 0 вытекает свободная осесим-метричная воздушная струя. В струе выделяют три характерных участка: начальный - 1 , переходный - 2 , основной - 3 . Осью струи является ось абсцисс х. Границы начального и переходного участков обозначены прямыми АС и BD. Соответственно границами основного участка будут линии СЕ и DF. ТочкаМ пересеченияэтих линий находится на оси х и называется полюсом струи, абсцисса которого X 0 .

Допустим, из отверстия струя вытекает с постоянной скоростью v 0 . В начальном участке выделяются две характерные зоны: первая - ядро постоянных скоростей и вторая - пограничный слой. Ядро имеет эпюру скоростей в поперечном сечении в виде прямоугольника со значениями скоростей v 0 . Площадь поперечного сечения ядра постоянных скоростей по длине струи уменьшается. Ядро как бы «выклинивается». Сечение, где исчезает ядро постоянных скоростей, является конечным для на чального участка и имеет абсциссу х H . В пределах пограничного слоя скорости течения изменяются от v 0 до нуля. На рис. 9.1 приведена эпюра скоростей для произвольного сечения с координатой X 1 начального участка. На эпюре видны особенности распределения скоростей, характерные для обеих зон.

Переходный участок ограничен теми же линиями АС и BD, что и начальный участок, но лежит между сечениями с абсциссами х H и х П . Этот участок состоит только из пограничного слоя. В переходном участке формируются поля скоростей, характерные для основного участка. Эпюра скоростей для произвольного сечения с абсциссой х 2 переходного участка приведена на рис. 9.1. В практике обычно длиной переходного участка пренебрегают, заменяя участок одним переходным сечением. При этом сечения с абсциссами х H и х П совмещают и ограничиваются использованием только абсциссы х П .

Основной участок струи расположен в границах СЕ и DF. Он также состоит только из пограничного слоя. Характерная эпюра скоростей для произвольного поперечного сечения с абсциссой х 3 представлена на рис. 9.1. Скорости изменяются от максимальной w x на оси до нуля. Границы основного участка наклонены к оси струи под углом 0. Для вентиляционных струй тангенс этого угла tan θ = 0,22. Ранее было отмечено, что, продолжая граничные линии основного участка до осевой линии, можно получить точку пересечения М - полюс струи. Полюс может располагаться как за отверстием, так и до него. Место расположения определяется начальной скоростью течения в струе. Классифицируют струи по различным характеризующим признакам.

По особенностям геометрии пространственных форм струи подразделяются на круглые, плоские, кольцевые и веерные. Круглые струи формируются при истечении через отверстия, вертикальный и горизонтальный размеры которых имеют один порядок. Плоские струи вытекают через отверстия, у которых горизонтальный и вертикальный размеры отличаются друг от друга на порядок и более (истечение через длинные щелевидные отверстия). Применяются также кольцевые и веерные струи . В системах вентиляции встречаются все перечисленные выше струи, однако чаще применяются круглые струи, поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением только их.

В зависимости от режима движения газа в струе различают ламинарные и турбулентные струи. Вентиляционные струи всегда бывают турбулентными. Существуют свободные и несвободные струи. Если струя распространяется в среде без помех от стен, колонн и т. д. на всей своей длине, она называется свободной. Свободные струи являются обычно осесимметричными. Контакт струи с какими-либо поверхностями приводит к искажениям геометрических форм ее. Струя в этом случае будет несвободной. Выделяются затопленные и незатопленные струи. Если вещество струи и среды, куда происходит истечение, одно и то же, то струя является затопленной. Для незатопленных струй вещество струи и среды различно. Вентиляционные струи считаются затопленными.

Различают непрерывные и импульсные струи в зависимости от особенностей течения в струях во времени. Непрерывные струи представляют собой установившиеся во времени потоки, параметры их стабильны. В импульсных струях поступление воздуха происходит отдельными порциями. В зависимости от соотношения скорости звука в газе при данной температуре и скорости течения газа в струе различают дозвуковые и сверхзвуковые струи. Вентиляционные струи являются дозвуковыми. Газ в них перемещается со скоростью, много меньшей скорости звука. Воздух, как и любой газ, сжимаем. Плотность его может значительно изменяться в зависимости от давления. Если вдоль оси струи значения плотности заметно отличаются в различных сечениях, то имеет место струя со сжимаемой средой. Если плотность по длине струи практически постоянная, то имеется струя с несжимаемой средой.

Температура воздуха, вытекающего через отверстие, может отличаться от температуры окружающей среды. Смешение воздуха среды с имеющимся в струе приводит к изменению температур по длине струи. Следствием такого изменения температур будет переменная по длине струи плотность воздуха. Струя с переменной по длине температурой носит название неизотермической струи. Если температуры воздуха в струе и среде, куда происходит истечение, одинаковы, то имеет место изотермическая струя.

К настоящему времени теория затопленных струй достаточно полно разработана рядом отечественных и зарубежных ученых. Основополагающие результаты получены в работах советских ученых Г. Н. Абрамовича, В. Н. Талиева, М. И. Гримитлина и др. Среди зарубежных исследователей необходимо отметить Л. Прандтля, Г. Шлихтинга, В. Толлмина, Т. Трюпеля и др. В настоящей главе по известным из литературы результатам изложены основы теории воздушных турбулентных струй. На основе теории струй разрабатываются конструкции различных воздухораспределяющих устройств, проектируются системы вентиляции.

Струя газа называется затопленной, если она распространяется в среде с теми же физическими свойствами, что и у нее самой. При изучении движения воздуха в системах вентиляции встречаются различные случаи распространения затопленных струй. Но при рассмотрении этих случаев в качестве исходной используется схема свободной струи. Свободная струя - это струя, распространяющаяся в безграничной среде. (Струя, не ограниченная твердыми стенками, называется свободной.) Струя при этом может истекать в неподвижную среду, а так же в поток воздуха.

В данном случае различают:

· Струнную струю, струя, истекающая в поток, направление скорости которого совпадает с направлением струи.
· Струю в сносящем потоке, если скорость потока направлена под углом к оси струи.
· Струю во встречном потоке, когда векторы продольной скорости струи и скорости потока направлены навстречу друг другу.

По виду энергии, расходуемой на образование струи, различают:

· Приточные (механические) струи, создаваемые вентилятором, компрессором, эжектором и т.п.
· Конвективные струи, образующиеся вследствие нагревания или охлаждения воздуха вблизи горячих или холодных поверхностей различных тел.

Струи различают также по форме начального сечения:

· Если сечение круглое, то струя называется осимметричной.
· Если сечение имеет вид бесконечно длинной полосы постоянной высоты, то она называется плоскопараллельной или плоской.

Температуры струи и окружающей среды могут быть одинаковыми или различными.

По степени воздействия окружающего пространства на характер движения струи различают:

· струи свободные;
· полуограниченные или настильные, движущие вдоль ограничивающей пространство плоскости;
· ограниченные (стесненные), вытекающие в пространство конечных размеров, соизмеримых с начальными размерами струи.

В зависимости от режима истечения струи могут быть:

· ламинарными (течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций);
· турбулентными (форма течения жидкости или газа, при которой их элементы совершают неупорядоченные, неустановившиеся движения по сложным траекториям, что приводит к интенсивному перемешиванию между слоями движущихся жидкости или газа).

Подторможенные частицы струи вместе с увлеченными частицами окружающего воздуха образуют турбулентный пограничный слой, толщина которого по мере удаления от выходного отверстия непрерывно возрастает. соприкасаясь с внешней стороны с неподвижной средой (5– = 0), а свнутреннй стороны - с ядром постоянной скорости (5– = 5– 0), пограничный слой приобретает переменный профиль скоростей. Рис. 4.

Сечение струи, в котором завершается размыв ядра постоянной скорости и на оси которого обе половины пограничного слоя смыкаются, называется переходным сечением. Участок струи, расположенный между выходным отверстием и переходным сечением, в котором скорость на оси остается неизменной и равной начальной скорости?? 0 , называется начальным. Участок, следующий за переходным сечением, в котором скорость на оси постепенно уменьшается и затухает, называется основным. Границы струи, как внешняя, так и ядра постоянной скорости, прямолинейны. Точка О пересечения внешних границ струи называется полюсом струи.

Статическое давление в разных точках струи изменяется несущественно и приблизительно равно давлению окружающего пространства, т.е. свободную струю можно считать изобарической.

Основными параметрами турбулентной струи являются осевая скорость 5–, диаметр D для круглых сечений и ширина 5ѓ для плоских струй, расход воздуха 5¬ и средняя скорость 5c.

Из теоретических и экспериментальных исследований Генриха Наумовича Абрамовича следует, что основные параметры струи зависят от коэффициента турбулентности а, характеризующего интенсивность перемешивания и зависящего от конструкции насадка, из которого вытекает струя. (Генрих Наумович Абрамович (1911-1995) - советский учёный в области теоретической и прикладной газовой динамики).

Чем больше коэффициент турбулентности а , тем интенсивнее перемешивание и больше угол одностороннего расширения струи.

Таблица значений коэффициента турбулентности а и угла расширения струи 25к для некоторых типов насадков.

ЛАМИНАРНЫЙ И ТУРБУЛЕНТНЫЙ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК

УСТАНОВИВШИЙСЯ ВОЗДУШНЫЙ ПОТОК

Установившимся воздушным потоком называется такое течение воздуха, при котором скорость потока в любой точке, а также основные параметры (давление, температура и плотность) не изменяются с течением времени. То есть, если через определенные промежутки времени мы в одной и той же точке будем измерять скорость и другие параметры воздуха и при всех измерениях величины параметров одинаковы, то этот воздушный поток установившийся. Если же измеряемые величины меняются, то поток - неустановившийся. В аэродинамике рассматривают только установившийся воздушный поток. Основным понятием аэродинамики является понятие элементарной струйки воздуха.

Элементарная струйка - это мысленно выделенный поток (небольшой замкнутый контур в виде трубки), через боковую поверхность которого воздух протекать не может ни вовнутрь, ни наружу.

Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу. При увеличении скорости до определенной величины струйки воздушного потока кроме поступательной скорости также приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.

Пограничный слой - это слой, в котором скорость воздуха изменяется от нуля до величины, близкой к местной скорости воздушного потока.

Рассмотрим частицу воздуха А (рис.5), которая находится между струйками воздуха со скоростями U 1 и U 2 , за счет разности этих скоростей, приложенных к противоположным точкам частицы, она вращается и тем больше, чем ближе находится эта частица к поверхности тела (где разность скоростей наибольшая). При удалении от поверхности тела вращательное движение частицы замедляется и становится равным нулю ввиду равенства скорости воздушного потока и скорости воздуха пограничного слоя.

Пограничный слой разделяют на ламинарный и турбулентный (рис. 6). При установившемся ламинарном течении пограничного слоя проявляются только силы внутреннего трения, обусловленные вязкостью воздуха, поэтому сопротивление воздуха в ламинарном слое мало.

Рис. 5. Изменение скорости течения воздуха в пограничном слое

Рис. 6. Обтекание тела воздушным потоком - торможение потока в пограничном слое

Рис. 7. Ламинарное и турбулентное течение

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии для поддерживания беспорядочного вихревого движения и, как следствие этого, создается большее по величине сопротивление воздушного потока движущемуся телу.

Для определения характера пограничного слоя служит коэффициент C f . Тело определенной конфигурации имеет свой коэффициент. Так, например, для плоской пластины коэффициент сопротивления ламинарного пограничного слоя равен:

для турбулентного слоя

где R e - число Рейнольдса, выражающее отношение инерционных сил к силам трения и определяющее отношение двух составляющих - профильное сопротивление (сопротивление формы) и сопротивление трения. Число Рейнольдса R e определяется по формуле:

где V - скорость воздушного потока,

I - характер размера тела,

γ - кинетический коэффициент вязкости сил трения воздуха.

Ламинарный пограничный слой отрывается легче от поверхности тела, чем турбулентный.