|
Тепловые струи, так же как и приточные
струи естественной или механической вентиляции, являются основными
факторами, определяющими циркуляцию воздуха в производственных помещениях,
распределение тепла и концентраций паров, газов и пыли.
Движение воздуха, возникающее вследствие разности
плотностей нагретых и холодных частиц, называют свободным.
При соприкосновении с нагретой поверхностью воздух
нагревается и становится легче. Вследствие разности плотностей нагретых и
холодных частиц воздуха возникает подъемная сила, под действием которой
нагретые частицы поднимаются; на их место поступают новые частицы — холодные,
которые также нагреваются и поднимаются. Таким образом, образуется восходящий
тепловой поток, определяемый наличием теплообмена у нагретой поверхности.
Чем больше передается тепла, тем интенсивнее движение
воздуха. Так как количество переданного тепла пропорционально разности
температур и площади нагретой поверхности, то и свободное движение воздуха
определяете^ именно этими факторами. Температурным напором определяется
разность плотностей и, следовательно, подъемная сила, а площадью поверхности
— зона распространения процесса.
Движение воздуха на различных уровнях вертикальной
нагретой стенки происходит по-разному ( IX. 15). В нижней ее части воздух
стелется по поверхности утолщающимся слоем — ламинарное движение, выше появляются
завитки («локоны»), бегущие вдоль поверхности,— локонообразное движение, и,
наконец, в верхней части стенки «локоны» отрываются и в виде вихрей
распространяются в окружающей среде — турбулентное движение.
Движение воздуха около горизонтальных нагретых
поверхностей отличается значительной сложностью и зависит от положения плиты
и ее размеров. Когда нагретая поверхность обращена вверх, движение происходит
по схеме IX. 16, а. Если же при этом плита имеет большие размеры, то
вследствие налипания с краев сплошного потока нагретого воздуха центральная
часть плиты оказывается изолированной и воздух к ней будет подтекать только
сверху ( IX. 16, б). Когда нагретая поверхность обращена вниз, движение
воздуха происходит по схеме IX.16, в. В этом случае по нагретой поверхности
движется лишь тонкий слой воздуха, замещаемый встречным потоком,
расположенным ниже.
Конвективные струи изучали многие исследователи: Я. Б.
Зельдович, Л. Прандтль, О. Г. Саттон, Б. Шмидт, Г. Н. Абрамович, В. М. Эль-
терман, И. А. Шепелев и др.
На основе этих исследований можно представить схему
тепловой струи, возникающей над нагретым горизонтальным источником,
обращенным вверх ( IX. 17).
По данной схеме в тепловой струе можно выделить четыре
зоны: / — пограничный слой, состоящий из ламинарного подслоя, расположенного
непосредственно у поверхности нагретой пластины, и основного пограничного
слоя; II— разгонный участок; III — переходный участок; IV — основной участок.
В пограничном ламинарном подслое движение воздуха
происходит вдоль поверхности; вертикальная составляющая скорости ничтожна.
Тепло от нагретой пластины передается воздуху путем теплопроводности, и
поэтому здесь наблюдается значительный перепад температур.
В пределах основного пограничного слоя может быть
ламинарное или турбулентное движение воздуха в зависимости от величины
произведения критериев Грасгофа и Прандтля. При Gr Рг^ЫО6 наблюдается
развитое турбулентное движение.
Нагретый воздух из пограничного слоя поднимается над
горячей пластиной отдельными струйками, а на его место опускается холодный
воздух. Толщина пограничного слоя равна примерно 0,2*1 Интенсивность
подтекания воздуха в пограничном слое больше, чем в вышележащей части струи
(на единицу высоты струи).
В разгонном участке в основном проявляются архимедовы
силы, и под их действием скорость движения воздуха непрерывно возрастает,
статическое давление уменьшается, что и приводит к уменьшению се
чения струи. В конце разгонного участка струя имеет
наименьшее сечение. Это сечение называют переходным или сжатым. Сжатое сечение
находится на расстоянии примерно 2d от полюса струи.
Максимальная осевая скорость струи наблюдается несколько
выше конца разгонного участка. В пределах этой части струи, а также во всей
последующей ее части происходит подмешивание к ней окружающего воздуха,
оказывающего тормозящее действие на скорость ее подъема.
В переходном участке происходит преобразование начальных
поперечных профилей скоростей и избыточных температур в профили, характерные
для основного участка.
Во всех сечениях основного участка наблюдается подобие
поперечных профилей скоростей и избыточных температур.
В переходном и основном участках вместе с подъемными
силами действуют и силы турбулентной вязкости, под действием которых струя
непрерывно расширяется. Угол бокового расширения струи а может быть принят
как и для приточных свободных струй без принудительного расширения равным
12°25'.
На формирование тепловых струй большое влияние оказывают
условия подтекания воздуха в зоне /. Например, если поднять пластину и
поместить ее на основание, то условия подтекания воздуха к нагретой
поверхности будут другими, чем для пластины, заделанной заподлицо с
плоскостью, и закономерности развития тепловой струи над таким источником
окажутся несколько иными.
В тепловой струе количество движения секундной массы
воздуха по высоте не остается постоянным, а изменяется в связи с появлением
подъемной силы.
Расчетные зависимости для тепловых струй по исследованиям
В. М. Эльтермана и И. А. Шепелева приводятся в их работах [59 и др.].
|