Одной из основных задач вентиляции гражданских зданий является подача приточного воздуха в нужном объеме и с требуемыми параметрами в зону дыхания человека, что до настоящего времени было сложно осуществить посредством существующих типов воздухораспределителей из-за высоких скоростей приточного воздуха. Преимуществом микроперфорированных текстильных воздуховодов является возможность подачи приточного воздуха быстрозатухающими ламинарными микроструями, истекающими из микроотверстий (d=0,0002–0,0006 м), прожигаемых в ткани лазером [1, 2], что исключает возможность появления эффекта сквозняка в рабочей зоне помещения, способствует формированию требуемых параметров микроклимата [3, 4]. Ряд численных и экспериментальных исследований, выполненных зарубежными авторами [5–9], позволяет сделать вывод, что воздушное душирование рабочих мест способствует улучшению качества воздуха в зоне дыхания работников.
Микроперфорированные текстильные воздухораспределители начали применяться в России относительно недавно, поэтому в справочной литературе отсутствует информация, необходимая для проектирования систем вентиляции с использованием такого вида устройств.
Проведенный анализ существующих инженерных методик расчета основных параметров струй показал, что общим недостатком методик И.А. Шепелева [10], Г.Н. Абрамовича [11], C.-J. Chen и W. Rodi [12] является то, что они предназначены для решения задач в турбулентной постановке. Методика Г. Шлихтинга [13] позволяет определять параметры ламинарных струй, однако необходимо для каждого рассматриваемого случая определять полюс струи, находящийся на расстоянии х0 от приточного отверстия, что повышает трудоемкость расчета.
Анализ возможного сочетания диаметра (d=0,0002–0,0006 м) приточных микроотверстий текстильных воздуховодов и начальной скорости истечения воздуха (u = 0,9–6,5 м/с) дает представление о диапазоне варьирования числа Рейнольдса: Re=3-270. Таким образом, для микроструй, истекающих из микроотверстий характерен ламинарный режим истечения. В этой связи возникает необходимость в адаптации существующей методики расчета основных параметров струй для случая ламинарного истечения.
За основу был принят инженерный метод расчета, приведенный в работе И.А. Шепелева [5] для расчета скорости струи:
(1)
где: u0 – средняя скорость истечения, uх – осевая скорость струи, F0 – площадь приточного отверстия, x и y – координаты точки, c – постоянная,
m – аэродинамическая характеристика приточной струи.
Для осевой скорости струи, при y=0, формула (1) принимает следующий вид:
(2)
Значение аэродинамической характеристики изотермической турбулентной струи в соответствии с [10] составляет m=6,88, вероятное значение постоянной с=0,082.
С целью расширения границы применения расчетных формул (1) и (2) необходимо уточнить значения вышеуказанных постоянных.
Рис. 1. Схема струи
Была рассмотрена струя (рис. 1) при различных сочетаниях диаметра приточного отверстия (d=0,00025; 0,0004; 0,0006 м) и значениях начальной скорости (u=0,2–6,6 м/с). Кинематический импульс струи (К) изменялся в пределах от 1,96·10-9 до 1,23·10-5 м4/с2. Кинематическая вязкость воздуха υ=14,6·10-6 м2/с, температура воздуха t=20 °C, плотность воздуха ρ=1,2 кг/м3, режим истечения – ламинарный.
При уточнении аэродинамической характеристики струи m и постоянной c, входящих в расчетные формулы (1) и (2), были последовательно решены следующие задачи при ламинарном режиме истечения микроструи.
Задача 1. Определено изменение осевой скорости микроструи (u0, м/с) от расстояния (х, м) от приточного отверстия при различных вариантах исходных данных по методике И.А. Шепелева [10] и Г. Шлихтинга [13]. Методом последовательного приближения, меняя значение m, выполнено совмещение графика, построенного с помощью расчетной формулы (2) методики [10] с графиком, построенным по результатам расчета в соответствии с методикой [13] (пример - рис. 2). По результатам расчета был построен график изменения значения аэродинамической характеристики струи от кинематического импульса микроструи (К, м4/с2) (рис. 3).
Рис. 2. Сопоставление графиков осевой скорости микроструи при К= 0,45216·10-7 м4/с2
Рис. 3. Изменение значения аэродинамической характеристики струи m в зависимости от кинематического
импульса K
В результате аппроксимации получена следующая зависимость:
(3)
Задача 2. Были определены профили продольной скорости микроструи на различном расстоянии от приточного отверстия (х=0,0011; 0,002; 0,003; 0,006; 0,008; 0,01 м) при заданных значениях кинематического импульса микроструи. Аналогично алгоритму, представленному при решении задачи 1, методом последовательного приближения, меняя значения постоянной c было выполнено совмещение графиков продольной скорости микроструи (пример – рис. 4). По результатам расчета был построен график изменения значения постоянной c от кинематического импульса микроструи К (рис. 5).
Рис. 4. Сопоставление графиков продольной скорости микроструи при х=0,0003 м
Рис. 5. Изменение значения постоянной c в зависимости от кинематического импульса K
В результате аппроксимации получена следующая зависимость постоянной c от кинематического импульса микроструи K:
(4)
Заменив значения аэродинамической характеристики струи m и постоянной с в расчетных формулах (1) и (2) полученными зависимостями (3) и (4), запишем адаптированные формулы для расчета продольной и осевой скорости ламинарной микроструи, получим:
продольная скорость ламинарной микроструи:
осевая скорость ламинарной микроструи:
Выводы. В результате проведенного исследования, расширена область применимости инженерной методики И.А. Шепелева применительно к ламинарному режиму истечения струи. Получена зависимость аэродинамической характеристики струи m и постоянной с от кинематического импульса струи K для ламинарных микроструй. Разработанные модификации корреляций, позволяют определять основные параметры микроструй (осевую, продольную скорости) с погрешностью, не превышающей 3 %.
