|
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.
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 аэро-динамического
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, 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 ( 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. 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 несколько вихрей. 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 нё*чэ 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.
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.
|