ОТОПЛЕНИЕ И ВЕНТИЛЯЦИЯ

ОБТЕКАНИЕ ЗДАНИЯ ПОТОКОМ ВОЗДУХА, ЗОНА АЭРОДИНАМИЧЕСКОГО СЛЕДА

При набегании потока на препятствие (тело) перед и за ним обра­зуется область так называемого отрывного течения. Иногда эту область называют застойной областью или зоной. Мы будем пользоваться тер­мином зона аэродинамического следа (зона АС), имея в виду всю об­ласть отрывного течения. При обтекании тел турбулентным установив­шимся потоком воздуха при дозвуковых скоростях в зоне аэродинами­ческого следа наблюдаются сложные вихревые неустановившиеся трех­мерные движения, даже если поток набегает на двухмерное препятст­вие (пластину). Уже для тел простейшей формы процессы обтекания весьма сложны. Однако, введя некоторые упрощения, оказалось воз­можным получить для пластины, шара, цилиндра и других подобных тел аналитическое решение для расчета их аэродинамического сопро­тивления и габаритных размеров зоны аэродинамического следа. Ана­литическое решение обычно является первым приближением решения задачи, не учитывающим вихревые движения в зоне аэродинамического следа. Осредненные линии тока в зоне аэродинамического следа мож­но построить по средним значениям скорости, полученным эксперимен­тально. Для плоской пластины осредненные линии тока в следе пред­ставлены на рис. XV. 1.

Характер движения в зоне аэродинамического следа определяется режимом набегающего потока (числом Re). При ламинарном режиме набегающего потока вихри, образующиеся за пластиной, постепенно увеличиваясь, попарно увлекаются потоком. При небольшой турбулент­ности вихри образуются то у одной кромки пластины, то у другой и уходят от них попеременно. Центры вихрей расположены вдоль потока за пластиной в «шахматном» порядке. Такая вихревая система с «шах­матным» расположением центров вихрей носит название вихревой до­рожки Кармана. При дальнейшем увеличении числа Re набегающего по­тока дорожка Кармана исчезает. Вихревое движение в зоне аэродина-

Рис XV 1 Схема обтекания бесконечной пластины потоком воздуха

I—I, II—II — сечения, I — пластина, 2 — эле­ментарная струйка потока воздуха, набегаю­щего на пластину, 3 — граница зоны аэроди­намического следа; 4 — вихревое движение 1 (линия тока) в зоне аэродинамического сле­да, 5 — линия тока за пределами зоны аэро­динамического следа, А и Б •— точки тормо­жения

Мического следа приобретает как бы устойчивый характер. Движение потока за пластиной становится устойчиво турбулентным и оторвав­шиеся вихри сразу же затухают, разбиваясь на более мелкие. Границу зоны аэродинамического следа также нельзя рассматривать как уста­новившуюся. На этой границе происходит взаимодействие двух пото­ков, имеющих разный энергетический уровень. Поток, срывающийся с кромки пластины, имеет большую энергию, чем поток, подходящий к границе из зоны аэродинамического следа. В результате взаимодейст­вия этих потоков на границе зоны возникает вихревой слой.

Характерным для обтекания пластины является наличие двух то­чек торможения Точка А (см рис. XV.1), лежащая на оси симметрии, является точкой деления потоков и при плоскопараллельном потен­циальном потоке скорость в ней близка к нулю. Точка Б находится в месте смыкания основного потока, обтекающего пластину. Правее точ­ки Б направление движения совпадает с направлением набегающего по­тока. Левее точки Ь находится зона аэродинамического следа, в кото­рой направление движения вдоль оси симметрии противоположно нап­равлению основного потока. Расположение точки Б постоянно меняется из-за пульсации потока.

Здание, как и пластина, является плохо обтекаемым телом. Обтека­ние здания потоком воздуха даже при простейшей его форме — парал­лелепипеде— является сложным процессом из-за трехмерности препят­ствия и влияния подстилающей плоскости — поверхности земли.

Рассмотрим схему обтекания потоком воздуха отдельно стоящего здания (рис. XV.2). При набегании на препятствие нижние слои потока воздуха затормаживаются, и кинетическая энергия этой части потока переходит в потенциальную, следовательно, статическое давление уве­личивается. Увеличение статического давления происходит постепенно по мере приближения к зданию (практически начинаясь за пять — восемь калибров до здания, если за калибр принять средний размер фасада). Максимального значения статическое давление достигает на поверх­ности наветренного фасада. Набегающий поток воздуха образует зону циркуляции непосредственно у поверхности здания (см. рисунок). Вих­ри, образующиеся здесь, как бы дополняют форму здания до удобооб - текаемой и тем самым уменьшают потери энергии основного потока. В этой зоне постоянно происходит обмен воздуха, совершающего вихре - образные движения и уходящего на заветренную сторону здания (рис. XV. 2, б). Набегающий поток воздуха обтекает здание и зону цир­куляции сверху и с боков Обтекающий здание поток воздуха в силу не­которого его поджатая имеет скорость, несколько большую, чем ско­рость ветра. Этот поток интенсивно эжектирует воздух с заветренной стороны здания, где в результате этого давление уменьшается. Воздух, уносимый из заветренной зоны, компенсируется приземными слоями по­тока, в которых воздух заторможен настолько, что может изменять на­правление своего движения. На заветренной стороне здания образуется

О)

Рис XV.2. Схема обтекания здания по­током воздуха

А — вертикальный разрез; б — схема движения воздуха в зоне аэродинамического следа; 1 — граница между вихрями в зоне аэродина­мического следа, участок с нулевой скоростью движения воздуха; 2—зона избыточного давления, 3 — здание, 4.— зона разрежения и вихревого движения воздуха; 5—обратные потоки воздуха, входящие в зону аэродина­мического следа, 6 — граница зоны аэродина мического следа 7 — граница влияния здания иа поток воздуха, 8 — вихреобразные потоки воздуха из зоны избыточного давления в зону разрежения

Несколько вихрей (на рис. XV. 2, а показано два). Расположение грани­цы зоны аэродинамического следа в этой области указано ориентиро­вочно. Эта граница заметна лишь вблизи места срыва потока с навет­ренного фасада. На рисунке показаны образующиеся при обтекании зданий две приземные застойные области, в которых подвижность воз­духа настолько мала, что из нёЬ) осаждаются мельчайшие взвешенные частицы.

Исследования, проведенные для отдельно стоящего здания при установившемся потоке, позволили выявить лишь принципиальную схе­му потоков воздуха вблизи здания. В реальных условиях поток воздуха обычно неустановившийся. Пульсирующие изменения направления и силы ветра приводят к тому, что в натурных условиях габариты зоны аэродинамического следа и циркуляция воздуха в пределах зоны изме­няются во времени. При обтекании ветром группы зданий зоны аэроди­намических следов влияют друг на друга, и аэродинамика обтекания усложняется.

На рис. XV.3 показаны характерные размеры зоны аэродинами­ческого следа и приведены значения этих размеров, отнесенных к высо -

Знание размеров зоны аэродинамического следа дает возможность решать вопрос о расположении точек выброса вредных веществ и мест воздухозабора. Например, если очистка удаляемого из здания загряз­ненного воздуха невозможна, то выброс этого воздуха необходимо осу­ществлять на высоте, превышающей высоту зоны аэродинамического следа, поскольку при попадании вредных веществ в зону концентрация их в ней может превысить допустимый уровень.

Воздухозабор целесообразно устраивать на боковых фасадах или на главных фасадах в местах, примыкающих к торцам здания, так как здесь проходит вихревой поток воздуха с наветренной стороны, подпи­тывающий зону аэродинамического следа на заветренной стороне зда­ния.

Пример XV.1. Определить размеры зоны аэродинамического следа для здания вы­сотой Н—25 м, длиной L=100 м и шириной 6=12 м.

Решение. 1. Относительная длина здания £,/#=100/25 = 4.

2. Относительная высота зоны аэродинамического следа по графику на рис. XV.3 ha —1,7, следовательно, высота зоны h3—1,7*25 = 42,5 м. _

3. Относительная длина зоны аэродинамического следа /3—4,65, следовательно, *а = 4,65-25= 116 м.

4. Аналогично определяем другие размеры зоны: /"=41 м, N—33 м, т—2Ъ м, ІИ=50 м и т. д.