Исследование боковой односторонней воздушной завесы без подогрева воздуха тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.03, кандидат технических наук Тюменцев, Владимир Александрович

• Тюменцев, Владимир Александрович
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Тюменцев, Владимир Александрович

Введение.

Глава 1. Обзор работ по воздушным завесам.

1.1. Общие сведения.

1.2. Воздушные струи в сносящем потоке.

1.3. Воздушные струи, развивающиеся при перепаде давлений

1.4. Современные методы расчета воздушных завес различного назначения.

1.5. Выводы.

Глава 2. Аналитическое исследование плоской изотермической струи боковой воздушной завесы.

2.1.Исходные положения. Схема струи.

2. 2. Уравнение оси плоской изотермической струи, искривленной перепадом давлений на ее границах.

2. 3. Дальнобойность и наибольший вылет струи.

2.4. Безразмерные зависимости между геометрическими и физическими характеристиками.

2.5. Шиберование проема ворот струей воздушной завесы.

Глава 3. Численное моделирование струи воздушной завесы

3.1. Описание турбулентных течений.

3.2. Краткая характеристика пакета прикладных программ Star-CD применительно к рассматриваемой задаче.

3.2.1. Реологические соотношения моделей турбулентности.

3.2.2. Дискретизация задачи и методы решения разностных уравнений.

3.3. Результаты исследований.

Глава 4. Физическое моделирование воздушной завесы.

4.1. О моделировании изотермических струй.

4.2. Цели и задачи исследования.

4.3. Экспериментальная установка. Измерительные приборы.

4.4. Методика испытаний. Обработка данных.

4.5. Обсуждение результатов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование боковой односторонней воздушной завесы без подогрева воздуха»

Обеспеченность параметров микроклимата в производственных зданиях существенным образом определяет санитарно-гигиенические условия, социальные гарантии для людей на рабочих местах, а также в ряде случаев является решающим фактором стабильного технологического цикла с максимальной производительностью труда. Протяженные, иногда на десятки метров, многотонные технологические линии, зачастую импортного производства, не выходят на номинальные рабочие режимы и как следствие не приносят ожидаемой выгоды, если нарушаются требования, прежде всего к равномерности температурных полей внутреннего воздуха. Одним из наиболее существенных факторов, воздействующих на стабильность и равномерность температурных и скоростных полей в обслуживаемых помещениях является поступление холодного наружного воздуха через открывающиеся проемы ворот или технологические отверстия. Применение воздушно-тепловых завес (ВТЗ) приводит к серьезному увеличению потребления тепловой энергии. Так для современного цеха по переработке древесины, где благодаря соблюдению требований СНиП II-3-79* «Строительная теплотехника» к ограждающим конструкциям, потребности тепла на нужды отопления, вентиляции и горячего водоснабжения составляют около 450 кВт, те же потребности на теплоснабжение калориферов ВТЗ — приблизительно 1300 кВт. При таком соотношении нагрузок, учитывая огромные масштабы потребления энергоресурсов системами обеспечения микроклимата, вполне логичной задачей становится изыскание возможностей для экономии тепла на установки ВТЗ.

Следует отметить, что применяемые воздушно-тепловые завесы для ворот и проемов промышленных зданий в большинстве своем относятся к завесам шиберующего типа. При этом эффект полного шиберования подразумевается не в аэродинамическом смысле, а в смысле некоего тепловоз-душного замка.

В случае реализации возможности аэродинамического шиберования необходимости в подогреве струи воздушной завесы нет. Тогда воздух для завесы может забираться не из помещения, а из атмосферы, что уменьшает степень воздействия завесы на воздушный режим здания. При этом сама конструкция завесы выносится за пределы обогреваемых производственных площадей. Наружный воздух в завесе, обладая большей, чем внутренний плотностью, повышает динамические характеристики струи, увеличивая ее дальнобойность.

Попытки реализации воздушной завесы на основе полного перекрывания проема плоской струей атмосферного воздуха предпринимались и ранее. Получены авторские свидетельства на устройство завес по этому принципу, например, А.С. №983391 [1]. Шведская фирма Flakt поставляла потребителям воздушные завесы серии JABA с производительностью от 32000 до 53000 м3/час[74]. Завесы этого вида устанавливаются снаружи ворот и используют атмосферный воздух без подогрева. Помимо экономии тепловой энергии конструктивная реализация такой завесы может привести к значительному сокращению затрат на материалы и оборудование (см. приложение 1). К сожалению достоверных сведений о шиберующей способности этих завес не имеется.

Поэтому исследование этого вопроса является весьма важной задачей и представляет научный и практический интерес.

Целью работы является исследование характеристик плоской изотермической струи боковой односторонней завесы, развивающейся в районе проема ворот с учетом перепада давлений по обеим ее сторонам и возможности полного шиберования проема. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Получить аналитические уравнения, описывающие траекторию струи, изгибающуюся под действием перепада давлений, и основные ее характеристики.

2. Разработать математическую модель условий полного шиберова-ния проема ворот.

3. Разработать математическую модель численного эксперимента по изучению двухмерного течения воздуха в районе ворот на базе к-в модели турбулентности для стационарных и нестационарных условий уравнений Рейнольдса.

4. Осуществить физическое моделирование работы воздушной завесы.

Методы исследования: интегральный метод Эйлера, теория разностного моделирования течений жидкостей и газов, теория экспериментальных исследований .

Научную новизну составляют и на защиту выносятся:

1. Уравнение траектории плоской изотермической струи, развивающейся при перепаде давлений по обеим ее сторонам, с использованием теоремы о количестве движения в проекциях на оси координат с учетом изменения количества движения в различных сечениях;

2. Основные характеристики этих струй и условия шиберования проема ворот промышленного здания на базе метода Эйлера;

3. Численное решение уравнений Рейнольдса с замыкающими уравнениями на базе к-е модели турбулентности с использованием программного комплекса Star SD при соответствующих граничных условиях;

4. Новые научные результаты, отражающие характеристики автоколебаний струи воздушной завесы;

5. Заключение о шиберующей способности воздушной завесы.

Практическая ценность:

- полученные зависимости для струй, искривленных под действием перепада давлений по обеим ее сторонам, могут использоваться при создании местных отсосов в виде воздушно-струйных укрытий;

- полученные численные решения для воздушных завес позволяют более полно представить качественную и количественную картину возникающих потоков при взаимодействии приточной струи, всасывающего проема и граничных поверхностей, что обеспечивает объективный выбор конструктивных решений;

- в результате применения программного комплекса Star SD осуществлено его дополнительное тестирование, пополнился круг адекватно решаемых на его основе задач.

Публикации: по материалам диссертации опубликованы 7 печатных работ.

Апробация работы

Основные материалы исследований доложены и обсуждены на: научных конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Московского текстильного института (МТИ) (1985, 1986гг.), заседании кафедры промэнергетики МТИ (1987г.), семинаре Московского дома научно-технической пропаганды (МДНТП) «Оздоровление воздушной среды машиностроительных предприятий» (1987г.), научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов ВосточноСибирского государственного технологического университета (2004г.), конференциях профессорско-преподавательского состава, научных сотрудников и аспирантов Иркутского государственного технического университета (2002, 2003 гг.).

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы из 93 наименований. Общий объем работы - 102 стр., в том числе 34 рисунка, 5 таблиц, 3 приложения.

Заключение диссертации по теме «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение», Тюменцев, Владимир Александрович

5. Результаты исследования могут быть использованы при выборе проектных решений, проведении энергоаудита па предприятиях, в учебном процессе.

89

Заключение

1. Разработаны математические модели поведения плоской изотермической струи воздушной завесы в проеме ворот на базе интегрального метода Эйлера с учетом изменения количества движения в различных сечениях и уравнений Рейнольдса с замыкающими уравнениями на базе k-s модели турбулентности.

2. Исследование процесса шиберования с помощью математической модели на базе интегрального метода Эйлера показало, что проем ворот перекрывается струей воздушной завесы при условии АР - 0,55-sin ®0/(sin ©0-0,2200^

3. Исследование процесса шиберования на математической модели на базе стационарных уравнений Рейнольдса также показало возможность выполнения этого эффекта.

4. Математическая модель на базе нестационарных уравнений Рейнольдса, способная описывать крупномасштабные нестационарные вихревые структуры, обнаружила автоколебательный процесс развития плоской струи в проеме ворот. На основании полученных численных решений, подтвержденных экспериментальными исследованиями, установлено, что полное шиберование проема ворот невозможно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Тюменцев, Владимир Александрович, 2004 год

1. А.с. 983391. СССР, МКИ3 F 24 F 9/00. Воздушная завеса / Л.М. Мошкарнев, Н.В. Терехова (СССР). Опубл.23.12.82, Бюл. №47. -Зс.

2. Абрамович Г.Н. Прикладная газовая динамика. М.: Госэнергоиздат, 1953. -452с.

3. Абрамович Г.Н. Теория свободных струй и ее приложения // Труды ЦАГИ.- 1936. Вып.293. - С. 54-79.

4. Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М.: Наука, 1980. - 582с.

5. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов // Труды ЦАГИ. 1940. - Вып.512. - С.22-35.

6. Абрамович Г.Н. Турбулентные свободные струи жидкостей и газов. М.: Госэнергоиздат, 1948.-351 с.

7. Абрамович Г.Н., Голубева В.А., Макаров И.С., Майоров Л.Е. Теоретическое и экспериментальное исследование процессов смешения газовых потоков в элементах ВРД специальных схем // Технических отчет МАИ. М., 1972. 4.1. - 90с.; - 1974. 4.2 - 150с.

8. Акатнов Н.И. Круглая турбулентная струя в поперечном потоке // Изв. АН СССР. Сер. МЖГ. 1969. - №6. - С.102-125.

9. Арутюнов В.А., Перепелкин Ю.М. Исследование распространения плоской струи в камере. //Изв. Вузов. Черная металлургия. 1969. - №11. - С. 71-77

10. Ю.Батурин В.В. Проектирование воздушных завес. М.: Профиздат, 1941. -95с.

11. П.Батурин В.В., Шепелев И.А. Результаты использования воздушных завес. // Отопление и вентиляция. 1939. - №7. - С. 14-28.

12. Батурин В.В., Шепелев И.В. Воздушные завесы. // Отопление и вентиляция.- 1936.-№5.- С.24-32.

13. Батурин В.В., Эльтерман В.М. Аэрация промышленных зданий. М.: Госстройиздат, 1963. - 319 с.

14. М.Белов И.А., Исаев С.А., Коробков В.А. Задачи и методы расчета отрывных течений несжимаемой жидкости. JL: Судостроение, 1989. - 256 с.

15. Бутаков С.Е. Аэродинамика систем промышленной вентиляции М.: Произдат, 1949.-270с.

16. Бутаков С.Е., Столер В.Д. Воздушные завесы в горячих цехах — В кн. Вентиляция в металлургической промышленности. Под ред. В.А.Штромберга. М., 1968. - С. 145 -164.

17. Вахламов С.В. Расчет траектории струи в сносящем потоке // Инженерно-физический журнал. 1964, октябрь, т. 7. - №10. - С. 112-115.

18. Волынский М.С. О форме струи жидкости в газовом потоке. М.: Оборонгиз, 1958,- 152с.

19. Визель Я.М., Мостинский И.Л. Искривление струи в сносящем потоке. // ИФЖ. 1965, т VIII. - №2. - С.58-67.

20. Внутренние санитарно-технические устройства. Справочник проектировщика Под. ред. И.Г.Староверова. Изд. 3-е. 4.2. Вентиляция и кондиционирование воздуха.-В.Н.Богословский, И.А.Шепелев, В.М.Эльтерман и др.- М.: Стройиздат, 1978. 509с.

21. Гельман Н.А., Шепелев И.А. Формулы для расчета плоских турбулентных струй // В кн.: Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха в промышленных зданиях. Труды ЦНИИПромзданий. 1972. - вып. 26.- С. 52-62.

22. Гиршович Т.А. К расчету параметров плоских турбулентных струй в сносящем потоке // ИФЖ, т.ХХУ.- 1973.- №5.- С.32-39.

23. Гиршович Т.А. О веерной турбулентной струе сносящем потоке. И Изв. АН СССР. МЖГ. 1968.- №4. -С. 22-30.

24. Гиршович Т.А. Теоретическое и экспериментальное исследования плоской турбулентной струи в сносящем потоке // Изв. АН СССР. Механика жидкости и газа.- 1966. №1. - С. 121-126.

25. Горелов Ю.А., Висков А.И. Расчет скоростей и давления индуцируемых струй в сносящем потоке // Труды ЦАГИ. 1972. - вып.412. -С.124-137.

26. Гримитлин М.И. Моделирование и расчет воздухораспределительных устройств //В кн. Очистка промышленных выбросов и вопросы воздухораспределения. Сб. статей ВНИИОТ и ЛТИЦБП. JI. - 1969.- с.210-258.

27. Жукова Л.А., Маркова И.С., Худенко В.Г. Смешение плоско — параллельных турбулентных струй // Изв. вузов. Авиационная техника. — 1964.- №4. -С.85-97.

28. Иванов Ю.В. Плоская струя во внешнем поперечном потоке // Известия АН ЭССР. Таллин. - 1953.- т.Н.- №2.- С.33-68.

29. Иванов Ю.В. Экспериментальное исследование струй, развивающихся в потоке // В кн. Теория и расчет вентиляционных струй. М. - 1965.- С. 152171.

30. Иванов Ю.В. Эффективное сжигание надслойных горючих газов в топках. — Таллин: Эстиздат, 1959. -235с.

31. Исаева С.Е. Экспериментальное исследование интенсивности смешения плоской струи с поперечным потоком // 2-е межотраслевое совещание по теории и прикладным аспектом турбулентных течений. — Таллин: изд. АН ЭССР.- 1976.-С.39-30.

32. Календайте И.В., Залишауская М.П. Искривление плоской свободной струи при разных давлениях с обеих сторон // Сантехническое гидротехническое строительство. Основания и фундаменты. — Каунас. 1970. — С.51-53.

33. Лебедев Г.О. О взаимодействии двух одинаковых приточных неизотермических струй: Расчет систем вентиляции. / Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. 1981, №2, С. 86-89.

34. Ляховский Д.Н., Сыркин С.Н. Аэродинамика факела, вытекающего в среду другой плотности. // ЖТФ. Т.9.- 1939. -С.54-68.

35. Моор Л.Ф. Расчет воздушных завес промышленных зданий // НТИ ЦИНИС. 1968. - Вып.5. - с.47-55.

36. Палатник И.Б., Темирбаев Д.Ж. Закономерности распространения осесимметричной воздушной струи в сносящем однородном потоке // В кн.: Проблемы теплоэнергетики и прикладной теплофизики Алма-Ата - 1967.-Вып.4. -С.68-82.

37. Пилюшенко В.П. Анализ основных методов расчета вентиляционных струй // Техника, технология, организация и экономика строительства: Респ. межвед. сб. / Белорусский политехнический ин-т. — 1981. вып.7. - С. 97100.

38. Полушкин В.И. Универсальная интегральная характеристика турбулентных струй // Изв. вузов Т.Т.П. 1980. - № 4. - С. 66-69.

39. Поляков Е.И., Кузьмин М.С. Экспериментальное исследование струйной защиты пылегазовыделяющего оборудования. //Охрана труда и техника безопасности в черной металлургии. М.: «Металлургия». - 1973. - С. 18-34.

40. Проскура Г.Ф. Опытное изучение воздушной завесы // Технические новости. Бюл. НТУ ВСНУ УССР. 1929. - №31. - С.22-27.

41. Пшеничников A.JI. Плоская приточная струя, сносимая боковым потоком воздуха // В кн.: Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха в промышленных зданиях. Труды ЦНИИПромзданий. 1972. - вып. 26. - С. 65-69.

42. Ржевский Е.В., Костерин В. А. Экспериментальное исследование распространения веерных и парных плоских струй в поперечном потоке // Изв. Вузов. Авиационная техника. 1964. - №2. - С. 122-138.

43. Ромейко И.Ф., Щибраев Е.В. Экспериментальные исследования закономерностей развития плоских струй в ограниченном потоке воздуха //

44. Гидрогазодинамика. Межвузовский сборник КуАМ. 1974. - вып.2. — С. 58 -65.

45. Ромейко Н.С., Сыромятникова Н.Е., Щибраев Е.В. Расчет воздушных завес у печного проема с зонтом // Отопление и вентиляция. Сб .научн. работ КуИСИ . Куйбышев, 1976. - С.37-47.

46. Секундов А.И., Яковлевский О.В. Исследование взаимодействия струй с близко расположенными экранами. // Изв. АН СССР. Сер. Механика и машиностроение. 1964. - №1. - С. 98-105.

47. Соколова Н.М. Исследование воздушных вертикальных фонтанов, распространяющихся в сносящем потоке.: Автореферат дис. .канд. Техн. Наук, М., 1971.-20с.

48. Столер В.Д., Аликин П.Ф. Исследование аэродинамики некоторых типов воздушных завес // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1971. - №4. -С.53-58.

49. Столер В.Д., Биккуллин P.P., Пономорев Л.Н., Мозин Г.П. Деформация плоской турбулентной струи, развивающейся вблизи прямого угла // Оздоровление условия труда в горно рудной промышленности. - 1971. -№3. -С.8-19.

50. Сычев А.Г. К расчету воздушных завес // Водоснабжение и санитарная техника. 1974,. - №2. - С.44-49

51. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. М.: Стройиздат, 1979. - 295с.

52. Талиев В.Н. Зависимости для скорости на оси основного участка струй с неравномерным начальным полем скоростей // Водоснабжение и санитарная техника.-1982. -№11. С.11-12.

53. Талиев В.Н. Закономерности свободной неизотермической осесимметричной струи // Водоснабжение и санитарная техника. 1969. -№1. - С.33-38.

54. Татарчук Г.Т. Сравнительная оценка воздушно-тепловых завес по материалам исследований. // Материалы семинара «Воздушные струи и завесы.-М., 1971.-С.82-87.

55. Татарчук Г.Т. Уточненная методика расчета воздушных завес // В сб.Ютопление и вентиляция промышленных и с/х зданий. М. - 1966. -№16.- С.66-72.

56. Титов В.П. Расчет воздушных завес периодического действия // Материалы семинара «Воздушные струи и завесы». М. - 1971. — С.71-81.

57. Титов В.П. Особенности струй воздушных завес. // Тепловой режим систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха /Сб. трудов МИСИ. -М. 1980.-№177.-С.3-15.

58. Указания по расчету приточных воздухораспределительных устройств. Серия A3 358.- М.: Госстрой СССР. - 1968. - 58 с.

59. Уфимцев Г.А., Белотелов Л.Б. К расчету воздушных завес // Отопление и вентиляции. 1940. - №3. - С.44-48.

60. Худенко Б.Г. Деформация осей плоско параллельных струй при их взаимодействии // Изв. вузов. Авиационная техника. - 1966. - №2. — С.54-62.

61. Шандоров Г.С. Истечение из канала в неподвижную и движущуюся среду // ЖТФ. 1957. - т.27. - вып.1. -С.92-108.

62. Шандоров Г.С. Расчет оси струи в сносящем потоке // Известия ВУЗов. Авиационная техника. 1966. -№4. - С. 55-66.

63. Шенк X. Теория инженерных экспериментов. М.: «Мир», 1972. - 381 с.

64. Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. М., 1978,- 145 с.

65. Шепелев И.А. Затопленные струи, сносимые боковым потоком. Сб. Строительная теплофизика. Ин-т тепломассообмена АН СССР, М.-Л, - 1966. -С. 57-69.

66. Шепелев И.А. Основы расчета воздушных завес, приточных струй и пористых фильтров. — М.: Стройиздат, 1950. 150с.

67. Шепелев И.А. Приточные вентиляционные струи и воздушные фильтры. -М.: Изд. АС и А СССР, 1961. -183 с.

68. Эльтерман В.М. Воздушные завесы. М.: Машиностроение, 1966. - 164 с.

69. Эльтерман В.М., Сыромятникова Н.Е., Шелатонова Г.И. Воздушная завеса в канале // В кн.: Кондиционирование воздуха. М. 1983. - С110-120.

70. Эпштейн A.M. О форме оси турбулентной струи в неорганическом горизонтальном потоке // ИФЖ. 1965. -№4. - т.1Х. - С.45-54.

71. Яколевский О.В. Гипотеза об универсальности эжекционных свойств турбулентных струй газа и ее приложения // Известия Академии Наук СССР. Отделение Технических Наук./ Механика и машиностроение. 1961. -№3. - С.115-121

72. Air curtain unit JABA // Flakt ABB Ventilation Products Ab Company, Listing page.-V. 374-05.- 1983.-2p.

73. Bourgue C., Newman B.G. Reattachmeat of a Jwo dimensional Jn compressible Jet toa adjaceat Flaf Plate, "Geronantical Quarterly", 1960, v.l 1. p.322-345.

74. Chen, Y.S., and Kim, S.W. 1987. Computation of turbulent flows using an extended k-e turbulence closure modelT, NASA CR-179204. -p.55-82.

75. Dodds Dodds J. The Use of Suction of Blowing to Prevent Leparation of a Turbulent Boundry Layer, University of Cambridge, 1960. p. 87 — 102:

76. El Tahry, S.H. 1983. k-e equation for compressible reciprocating engine flowsT, AIAA J. Energy, 7, No. 4, p. 345-353.

77. Fosser R., Misra A.K., Mitchell D.G. A nobe on the Effect of Downsfream Pressure Pressure Prise on a Preotfached Jet. Ill Cranfiald Fluidics Conf., Jurin, 1968.-p. 141-172.

78. Keffer G.F., Baines W.D. The Round Turbulent Jet in a Cross wind. "Jornal of Fluid Mech.", London, v.15, 1963, p.47 59.

79. Landis F, Shapiro A.H. The Turbulent Mixing of Coaxibl Gas Jets. Heat transfer and Fluid Mechanics, Institute, Stanford, Corif., 1951. 135 p.

80. Launder, B.E., and Spalding, D.B. The numerical computation of turbulent flowT, Сотр. Meth. in Appl. Mech. & Eng. 3. 1974. - 269 p.

81. Masao Tago, Koji Akagava, Masanao Nishijima, Flow Characteristics of the Gurrent Turbulent Jet in the Two Dimensional Passage. Bull of the JSMS, v.14, №69, 1971. - p.52-74.

82. Mattioly G.D. Theoria Dinamioc dei Regimi Fluidi Turbulenti. — Gedam, Padova, XV, 1937.

83. Metral A. "Leffect Coanda" Proc. 5-th Lnt. Gonyr. Of App. Maths., 1938.

84. Miller D.R., Comings E. W. Forse Momentum Fields in a Dual Jet Flow. "Jornal of Fluids Mechanics", v.7, 1960.

85. Prandtl L. Berichf uber Unfersuchungen zur ansgebildetern Turbulenz.- ZAMM, 1925, Bd.5. 554p.

86. Reichardt H. Gesefzmassig Keiten der freien turbulenz, VDJ. Forshungsheft, 1942.—485p.

87. Rodi, W. 1979. Influence of buoyancy and rotation on equations for turbulent length scaleT, Proc. 2nd Symp. on Turbulent Shear Flows.—p. 98-112.

88. Sawyer R.A. The flao dne to a two dimension at jet using parallel to a flot plate. Journal of Fluid Mechanics, v.9, 1960, p.4 -28.

89. Taylor G.J The transport of velocity and heat through fluids in turbulent motion. Proc. Of Royal Soc. Series A, 1932, V. CXXXV, №828, p.495-522.

90. Wilkes, N. S. and Thompson, C.P. 1983. An evaluation of higher-order upwind differencing for elliptic flow problemsT, CSS 137, AERE, Harwell. 57p.