Выбор 

Граница воздушной струи. Формирование воздушной струи. Установившийся воздушный поток

Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу. При увеличении скорости до определенной величины струйки воздушного потока кроме поступательной скорости также приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.

Пограничный слой

Пограничный слой - это слой, в котором скорость воздуха изменяется от нуля до величины, близкой к местной скорости воздушного потока.

При обтекании тела воздушным потоком (Рис. 5) частицы воздуха не скользят по поверхности тела, а тормозятся, и скорость воздуха у поверхности тела становится равной нулю. При удалении от поверхности тела скорость воздуха возрастает от нуля до скорости течения воздушного потока.

Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от профиля тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней к задней кромке. В пограничном слое характер движения частиц воздуха отличается от характера движения вне его.

Рассмотрим частицу воздуха А (Рис. 6), которая находится между струйками воздуха со скоростями U1 и U2, за счет разности этих скоростей, приложенных к противоположным точкам частицы, она вращается и тем больше, чем ближе находится эта частица к поверхности тела (где разность скоростей наибольшая). При удалении от поверхности тела вращательное движение частицы замедляется и становится равным нулю ввиду равенства скорости воздушного потока и скорости воздуха пограничного слоя.

Позади тела пограничный слой переходит в спутную струю, которая по мере удаления от тела размывается и исчезает. Завихрения в спутной струе попадают на хвостовое оперение самолета и снижают его эффективность, вызывают тряску (явление Бафтинга).

Пограничный слой разделяют на ламинарный и турбулентный (Рис. 7). При установившемся ламинарном течении пограничного слоя проявляются только силы внутреннего трения, обусловленные вязкостью воздуха, поэтому сопротивление воздуха в ламинарном слое мало.

Рис. 5

Рис. 6 Обтекание тела воздушным потоком - торможение потока в пограничном слое

Рис. 7

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии для поддерживания беспорядочного вихревого движения и, как следствие этого, создается большее по величине сопротивление воздушного потока движущемуся телу.

Для определения характера пограничного слоя служит коэффициент Cf. Тело определенной конфигурации имеет свой коэффициент. Так, например, для плоской пластины коэффициент сопротивления ламинарного пограничного слоя равен:

для турбулентного слоя

где Re - число Рейнольдса, выражающее отношение инерционных сил к силам трения и определяющее отношение двух составляющих - профильное сопротивление (сопротивление формы) и сопротивление трения. Число Рейнольдса Re определяется по формуле:

где V - скорость воздушного потока,

I - характер размера тела,

кинетический коэффициент вязкости сил трения воздуха.

При обтекании тела воздушным потоком в определенной точке происходит переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Эта точка называется точкой перехода. Расположение ее на поверхности профиля тела зависит от вязкости и давления воздуха, скорости струек воздуха, формы тела и его положения в воздушном потоке, а также от шероховатости поверхности. При создании профилей крыльев конструкторы стремятся отнести эту точку как можно дальше от передней кромки профиля, чем достигается уменьшение сопротивления трения. Для этой цели применяют специальные ламинизированные профили, увеличивают гладкость поверхности крыла и ряд других мероприятий.

При увеличении скорости воздушного потока или увеличении угла положения тела относительно воздушного потока до определенной величины в некоторой точке происходит отрыв пограничного слоя от поверхности, при этом резко уменьшается давление за этой точкой.

В результате того, что у задней кромки тела давление больше чем за точкой отрыва, происходит обратное течение воздуха из зоны большего давления в зону меньшего давления к точке отрыва, которое влечет за собой отрыв воздушного потока от поверхности тела (Рис. 8).

Ламинарный пограничный слой отрывается легче от поверхности тела, чем турбулентный.

Уравнение неразрывности струи воздушного потока

Уравнение неразрывности струи воздушного потока (постоянства расхода воздуха) - это уравнение аэродинамики, вытекающее из основных законов физики - сохранения массы и инерции - и устанавливающее взаимосвязь между плотностью, скоростью и площадью поперечного сечения струи воздушного потока.

Рис. 8

Рис. 9

При рассмотрении его принимают условие, что изучаемый воздух не обладает свойством сжимаемости (Рис. 9).

В струйке переменного сечения через сечение I протекает за определенный промежуток времени секундный объем воздуха, этот объем равен произведению скорости воздушного потока на поперечное сечение F.

Секундный массовый расход воздуха m равен произведению секундного расхода воздуха на плотность р воздушного потока струйки. Согласно закону сохранения энергии, масса воздушного потока струйки m1, протекающего через сечение I (F1), равна массе т2 данного потока, протекающего через сечение II (F2), при условии, если воздушный поток установившийся:

m1=m2=const, (1.7)

m1F1V1=m2F2V2=const. (1.8)

Это выражение и называется уравнением неразрывности струи воздушного потока струйки.

F1V1=F2V2= const. (1.9)

Итак, из формулы видно, что через различные сечения струйки в определенную единицу времени (секунду) проходит одинаковый объем воздуха, но с разными скоростями.

Запишем уравнение (1.9) в следующем виде:

Из формулы видно, что скорость воздушного потока струи обратно пропорциональна площади поперечного сечения струи и наоборот.

Тем самым уравнение неразрывности струи воздушного потока устанавливает взаимосвязь между сечением струи и скоростью при условии, что воздушный поток струи установившийся.

Статическое давление и скоростной напор уравнение Бернулли

воздух самолет аэродинамика

Самолет, находящийся в неподвижном или подвижном относительно него воздушном потоке, испытывает со стороны последнего давление, в первом случае (когда воздушный поток неподвижен) - это статическое давление и во втором случае (когда воздушный поток подвижен) - это динамическое давление, оно чаще называется скоростным напором. Статическое давление в струйке аналогично давлению покоящейся жидкости (вода, газ). Например: вода в трубе, она может находиться в состоянии покоя или движения, в обоих случаях стенки трубы испытывают давление со стороны воды. В случае движения воды давление будет несколько меньше, так как появился скоростной напор.

Согласно закону сохранения энергии, энергия струйки воздушного потока в различных сечениях струйки воздуха есть сумма кинетической энергии потока, потенциальной энергии сил давления, внутренней энергии потока и энергии положения тела. Эта сумма - величина постоянная:

Екин+Ер+Евн+Еп=сопst (1.10)

Кинетическая энергия (Екин) - способность движущегося воздушного потока совершать работу. Она равна

где m - масса воздуха, кгс с2м; V-скорость воздушного потока, м/с. Если вместо массы m подставить массовую плотность воздуха р, то получим формулу для определения скоростного напора q (в кгс/м2)

Потенциальная энергия Ер - способность воздушного потока совершать работу под действием статических сил давления. Она равна (в кгс-м)

где Р - давление воздуха, кгс/м2; F - площадь поперечного сечения струйки воздушного потока, м2; S - путь, пройденный 1 кг воздуха через данное сечение, м; произведение SF называется удельным объемом и обозначается v, подставляя значение удельного объема воздуха в формулу (1.13), получим

Внутренняя энергия Евн - это способность газа совершать работу при изменении его температуры:

где Cv - теплоемкость воздуха при неизменном объеме, кал/кг-град; Т-температура по шкале Кельвина, К; А - термический эквивалент механической работы (кал-кг-м).

Из уравнения видно, что внутренняя энергия воздушного потока прямо пропорциональна его температуре.

Энергия положения En - способность воздуха совершать работу при изменении положения центра тяжести данной массы воздуха при подъеме на определенную высоту и равна

где h - изменение высоты, м.

Ввиду мизерно малых значений разноса центров тяжести масс воздуха по высоте в струйке воздушного потока этой энергией в аэродинамике пренебрегают.

Рассматривая во взаимосвязи все виды энергии применительно к определенным условиям, можно сформулировать закон Бернулли, который устанавливает связь между статическим давлением в струйке воздушного потока и скоростным напором.

Рассмотрим трубу (Рис. 10) переменного диаметра (1, 2, 3), в которой движется воздушный поток. Для измерения давления в рассматриваемых сечениях используют манометры. Анализируя показания манометров, можно сделать заключение, что наименьшее динамическое давление показывает манометр сечения 3-3. Значит, при сужении трубы увеличивается скорость воздушного потока и давление падает.

Рис. 10

Причиной падения давления является то, что воздушный поток не производит никакой работы (трение не учитываем) и поэтому полная энергия воздушного потока остается постоянной. Если считать температуру, плотность и объем воздушного потока в различных сечениях постоянными (T1=T2=T3;р1=р2=р3, V1=V2=V3), то внутреннюю энергию можно не рассматривать.

Значит, в данном случае возможен переход кинетической энергии воздушного потока в потенциальную и наоборот.

Когда скорость воздушного потока увеличивается, то увеличивается и скоростной напор и соответственно кинетическая энергия данного воздушного потока.

Подставим значения из формул (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) в формулу (1.10), учитывая, что внутренней энергией и энергией положения мы пренебрегаем, преобразуя уравнение (1.10), получим

Это уравнение для любого сечения струйки воздуха пишется следующим образом:

Такой вид уравнения является самым простым математическим уравнением Бернулли и показывает, что сумма статического и динамического давлений для любого сечения струйки установившегося воздушного потока есть величина постоянная. Сжимаемость в данном случае не учитывается. При учете сжимаемости вносятся соответствующие поправки.

Для наглядности закона Бернулли можно провести опыт. Взять два листка бумаги, держа параллельно друг другу на небольшом расстоянии, подуть в промежуток между ними.


Рис. 11

Листы сближаются. Причиной их сближения является то, что с внешней стороны листов давление атмосферное, а в промежутке между ними вследствие наличия скоростного напора воздуха давление уменьшилось и стало меньше атмосферного. Под действием разности давлений листки бумаги прогибаются вовнутрь.

Аэродинамические трубы

Экспериментальная установка для исследования явлений и процессов, сопровождающих обтекание тел потоком газа называется аэродинамической трубой. Принцип действия аэродинамических труб основан на принципе относительности Галилея: вместо движения тела в неподвижной среде изучается обтекание неподвижного тела потоком газа В аэродинамических трубах экспериментально определяются действующие на ЛА аэродинамические силы и моменты исследуются распределения давления и температуры по его поверхности, наблюдается картина обтекания тела, изучается аэроупругость и т д.

Аэродинамические трубы зависимости от диапазона чисел Маха М разделяются на дозвуковые (М=0,15-0,7), трансзвуковые (М=0,7-1 3), сверхзвуковые (М=1,3-5) и гиперзвуковые (М=5-25), по принципу действия - на компрессорные (непрерывного действия), в которых поток воздуха создается спец компрессором, и баллонные с повышенным давлением, по компоновке контура - на замкнутые и незамкнутые.

Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.

Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.

В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром.

Рис. 12

1- хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 - конфузор 5 - направление потока 6 - рабочая часть с моделью 7 - диффузор, 8 - колено с поворотными лопатками, 9 - компрессор 10 - воздухоохладитель

Рис. 13

1 - хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 конфузор 5 перфорированная рабочая часть с моделью 6 эжектор 7 диффузор 8 колено с направляющими лопатками 9 выброс воздуха 10 - подвод воздуха от баллонов


Рис. 14

1 - баллон со сжатым воздухом 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - выравнивающие сетки 5 - хонейкомб 6 - детурбулизирующие сетки 7 - форкамера 8 - конфузор 9 - сверхзвуковое сопло 10 - рабочая часть с моделью 11 - сверхзвуковой диффузор 12 - дозвуковой диффузор 13 - выброс в атмосферу


Рис. 15

1 - баллон с высоким давлением 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - подогреватель 5 - форкамера с хонейкомбом и сетками 6 - гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 - рабочая часть с моделью 8 - гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 - воздухоохладитель 10 - направление потока 11 - подвод воздуха в эжекторы 12 - эжекторы 13 - затворы 14 - вакуумная емкость 15 - дозвуковой диффузор

1.Введение ...................................................................................................................2

1.1. Обзор литературы ..........................................................................................3

1.1.1. Общие сведения ...........................................................................................3

1.1.2. Воздушные струи в сносящем потоке .....................................................5

1.1.3. Воздушные струи, развивающиеся при перепаде давлений ............16

1.1.4. Современные методы расчета воздушных завес различного назначения ..................................................................................................16

1.2. Цели и задачи работы ..................................................................................23

2. Постановка задачи ..............................................................................................25

2.1. Постановка задачи .......................................................................................25

2.2. Граничные условия для решения задачи ................................................28

2.3 Начальные условия решения задачи .........................................................28

3. Конечно-разностный метод решения задачи течения газа .........................29

3.1 Общие замечания о возможных методах решения задач газовой динамики .........................................................................................................29

3.2. Дискретизация частных производных .....................................................30

3.3. Дискретизация уравнений описывающих течение газа .......................31

3.4. Сходимость и точность разностных схем. Обоснование выбора величины шагов расчета по пространству и времени .........................33

3.5. Создание программы расчета ВТЗ ............................................................34

4. Экспериментальное исследование течения воздуха в проеме оборудованном ВТЗ .............................................................................................36

4.1 Методика проведения эксперимента. Экспериментальный стенд ......36

4.1.1 Методика проведения эксперимента ......................................................36

4.1.2 Экспериментальный стенд .......................................................................37

5. Анадиз полученных результатов ......................................................................42

6.Список использованной литературы ...............................................................48

Введение.

Современный мир невозможно представить себе без огромного количества полезных и удобных устройств, позволяющих человеку обустраивать свою жизнь с комфортом. Тепло–зимой и прохладный и чистый воздух летом – одно из обязательных требований в жизни обычного цивилизованного человека.

Тепловые завесы приобретают всё большую популярность в наше время. Основным предназначением таких устройств является защита от холодного воздуха помещений, которые отапливаются. Поток воздуха, который создается тепловой завесой, осуществляет преграду воздух, который попадает в помещение через открытые двери, окна и т.п., тем самым сохраняя теплый воздух внутри помещения.

Воздушные завесы предназначены для разделения внешней среды в помещении. Разделение достигается элиминацией естественной конвекции и нагревом входящего холодного воздуха естественной или принудительной вентиляции. Воздушно-тепловые завесы (ВТЗ) используются для защиты рабочих мест от загрязнения или для уменьшения распространения сигаретного дыма в ресторанах. Первая вертикальная воздушная завеса предположительно была введена в США в 1916 году.

Воздушные завесы представляют собой устройства вентиляции локализирующего типа, с помощью которых можно снизить или полностью устранить перемещение воздушных масс через проем, что позволяет уменьшить их вредоносное воздействие на здоровье человека.

Воздушная завеса образует плоскую строго направленную струю воздуха, которая помогает избежать потерь тепла, уходящего через проемы открытого типа. Тем самым, воздушные завесы способствуют повышению комфортабельности атмосферы внутри помещения.

Для того чтобы системы кондиционирования, вентиляции и отопления могли выполнять поставленные перед ними задачи в полном объеме, поддерживая необходимый микроклимат в помещении, необходимо максимально уменьшить теплопотери путем защиты ограждающих конструкций, в число которых входят открытые дверные и оконные проемы. Дело в том, что при непосредственном контакте окружающей среды с атмосферой помещения неизбежно происходит теплообмен, который оказывает существенное влияние на работу систем вентиляции и кондиционирования, уменьшая экономичность их использования, одновременно повышая энергопотребление. Таким образом тепловой баланс помещения нарушается, как в отдельных тепловых участках, так и по всей кондиционируемой площади. За этот процесс отвечают открытые, свободные или регулярно открываемые окна и двери. Через проем в помещение поступает наружный воздух, имеющий более низкую температуру, нежели внутри помещения. Одновременно с этим, теплый воздух помещения выходит через верхнюю часть открытого проема.

Воздушные завесы являются самым эффективным методом борьбы с теплопотерями. Климатическое устройство монтируется над необходимыми проемами горизонтально, либо сбоку проемов вертикально. Плоская направленная струя воздуха помогает разделить внешнее и внутреннее пространство на разные зоны. Таким образом, воздушная завеса превращается в воздушный экран или виртуальную дверь, создавая защиту помещения от внешнего воздействия.

Правильно подобранные и установленные завесы сокращают потери тепла в помещениях до 90%, препятствуя возникновению сквозняков и попаданию снега зимой, а также пыли, пуха, насекомых летом. Завесы с нагревательными элементами позволяют компенсировать потери тепла и поддерживать комфортную температуру в помещениях в холодное время года. Эффективность работы завес определяется:

Скоростью воздушной струи по всей высоте защищаемого проема при установке завесы над проемом или по всей ширине проема при боко вом монтаже;

Мощностью нагрева приточной струи, компенсирующей теплопотери через открытый проем.

Подбираются данные тепловые завесы соответственно по высоте и ширине дверного проема, который будет защищен от холодного воздуха. Считается, что основными параметрами завесы является ее длина и производительность теплого воздуха. Например, длина воздушной завесы должна быть одинакова или немного больше ширины дверного проема, потому что только в этом случае теплый поток воздуха будет полностью перекрывать поток холодного, тем самым защищая его проникновение вовнутрь.

Например, в случае, когда дверной проем составляет в ширину больше, чем 3 метра, то лучше установить несколько тепловых завес. Следует помнить, что чем выше дверной проем, тем мощнее должна быть завеса, и производить больше воздуха. Рекомендуется для защиты маленьких окон киосков, касс использовать завесы производительностью 300 м 3 /час.

Очень важно правильно выбрать тип завесы для создания оптимальной эффективности и комфорта. Воздушная завеса с малой прокачкой воздуха не отсекает сквозняки у пола. Чрезмерно мощная завеса установленная над низкими дверными проемами вызывает чувство дискомфорта у людей под нею и создает повышенную шумность работы. Наилучший результат достигается при перекрытии всей протяженности дверного проема мощным устойчивым потоком воздуха. Завесы могут быть с воздухонагревательной секцией и без нее. Завесы без подогрева устраняют теплопотери так же эффективно, как и завесы с подогревом, однако в некоторых случаях следует учитывать, что не подогретый воздушный поток может вызвать ощущение сквозняка. Дополнительный подогрев воздуха придает комфорт в ощущениях и удовлетворяет потребность в дополнительном тепле к существующему обогреву помещения, осушает пространство, примыкающее к входным дверям.
Необходимое дополнительное тепло определяется исходя из оценки факторов, является ли тепловая завеса единственным источником обогрева в помещении, разницей температур воздуха между холодной и теплой воздушными зонами и затратами.

Производительность по воздуху является основным параметром любой завесы. От производительности зависит скорость воздушного потока и, соответственно, оптимальная высота установки завесы. Например, для защиты стандартного дверного проема шириной 0,8-1,0 метр и высотой 2,0-2,2 метра требуется завеса с производительностью 700-900 м 3 /ч. В этом случае скорость воздушного потока на выходе завесы составит 6-8 м/с, а на уровне пола - 1,5 - 2,0 м/с. Если установить завесу меньшей производительности через нижнюю часть дверного проема будет проникать холодный воздух, и желаемый эффект от тепловой завесы будет достигнут лишь частично. Заметим, что при наличии тамбура применение завесы с низкой производительностью может быть вполне оправдано – двойные двери создают дополнительную преграду холодному воздуху и позволяют использовать менее дорогую завесу.

Тепловые завесы имеют длину от 600 до 2000 мм. Наибольшее распространение получили аппараты длиной 800-1000 мм, предназначенные для установки над стандартными дверными проемами. Длина подобранной завесы должна быть равна или немного больше ширины проема, так как только в этом случае поток воздуха будет целиком его перекрывать и не даст холодному воздуху попасть внутрь. Если проем очень широкий (более 2 метров), то следует устанавливать несколько аппаратов вплотную друг к другу.

Помимо отсечения наружного воздуха, тепловая завеса может так же нагревать воздух в помещении. Для ориентировочных расчетов можно принять, что для обогрева 10 м2 не отапливаемого помещения, при высоте потолков 2,8 - 3,0 м необходим 1 кВт мощности. При этом считается, что стены и потолок помещения имеют хорошую теплоизоляцию (капитальное здание), поскольку обогреть временное сооружение (железный ларек, ангар) практически невозможно - тепло будет уходить через тонкие стенки. Если же завесу предполагается устанавливать в хорошо отапливаемом помещении, то функция нагрева не обязательна, и можно выбрать модель с минимальной мощностью или, так называемую, воздушную завесу - без функции обогрева. Заметим, что защитные свойства воздушного потока определяются только скоростью воздуха и никак не связаны с его температурой, поэтому мощность завесы является дополнительной, а не основной характеристикой.

У всех завес с функцией обогрева есть одна особенность – на выходе даже очень мощной завесы воздух будет только теплым и никогда – горячим. Это объясняется высокой скоростью обдува нагревательных элементов, поэтому тепловую завесу нельзя сравнивать с тепловой пушкой или тепловентилятором, где скорость обдува в несколько раз ниже, а температура воздуха соответственно, выше.

Большинство тепловых завес предназначено для горизонтальной установки сверху открытого проема. Однако бывает, что такая установка невозможна или нецелесообразна. В этих случаях применяется вертикальная тепловая завеса, которая устанавливается сбоку от проема. Соответственно, воздушный поток от вертикальной завесы будет направлен горизонтально. Высота (длина) вертикальной завесы должна быть не менее 3/4 высоты защищаемого проема. В остальном, вертикальная тепловая завеса ничем не отличаются от горизонтальной.

Любая тепловая завеса имеет, как минимум, два переключателя - один включает вентилятор, второй - нагревательные элементы. В дополнении к этому, некоторые завесы имеют двух- или трехступенчатые регуляторы мощности нагрева и двухскоростные вентиляторы. Пульт управления может быть как встроенным, так и выносным (проводным). Встроенные пульты используются только на небольших завесах для стандартных дверных и оконных проемов, иначе до кнопок будет трудно достать. Выносные пульты используются с полупромышленными и промышленными завесами - такой пульт можно установить в любом удобном месте.

В дополнении к пульту можно установить термостат, который будет отключать нагревательные элементы (или всю завесу) при достижении заданной температуры в помещении.

Помимо моделей с электрическим подогревом, существуют завесы с подводом воды - водяные тепловые завесы. Как следует из названия, источником тепла в таких завесах является горячая вода, которая подается из системы центрального отопления. Повышенная сложность монтажа водяных завес компенсируется низкими накладными расходами при эксплуатации и высокой мощностью. Такие завесы обычно применяют в промышленных зданиях с большими открытыми проемами.

Глава 1.

1.1. Обзор литературы.

1.1.1. Общие сведения.

Методы расчета воздушных завес разрабатывались российскими учеными начиная с 1936 года. Первоначально расчет воздушных завес базировался на определении траектории оси струи воздушной завесы, этот метод совершенствовался Г. Н. Абрамовичем, И. А. Шепелевым, В. В. Батуриным, С. Е. Бутаковым. Во всех этих методах не учитывались характеристики герметичности здания. Кроме того, критерием шиберирующих свойств завесы являлось условие пересечения осью струи завесы плоскости ворот на расстоянии от выхода из щели завесы, равном ширине перекрываемого проема. Наибольшее распространение получил метод расчета воздушных завес, в котором расход воздуха завесы определяется с учетом ветровой нагрузки и степени герметичности защищаемого помещения. Этот метод представлен в "Справочнике проектировщика. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха" .

Размеры воздушной завесы базируется на балансе между сносящим потоком струи и разницей давления в дверном проеме. Есть также некоторые факты, которые должны быть соблюдены, например, расположения рабочих мест по отношению к дверному проему, распространение пыли, допустимый уровень шума, максимальный расход и пространство установки. Давление в проемах зависит от разницы температур между внутренним и наружным воздухом, герметичность оболочки здания, расположение и размер пути утечки. Разница температур создает распределение давления по всему фасаду здания .

По предложению Ф.Г. Проскуры ВТЗ начали использоваться в угольной промышленности для борьбы с пылью, образующейся при загрузке угля в скипы. В вентиляционной практике воздушно-струйные укрытия начали применяться для локализации вредных выделений от технологического оборудования (передувки над промышленными ваннами, завесы у проемов термических печей, у сушилок и т.п.). Однако наибольшее распространение воздушные завесы нашли для борьбы с холодным воздухом, проникающим через проемы ворот и дверей в зимний период года. Поэтому большинство теоретических и экспериментальных работ посвящено изучению данного типа завес.

Струя воздушной завесы развивается в поперечном потоке газов или воздуха. Развитие струи в сносящем потоке давно привлекает к себе внимание исследователей. Такого рода течения широко известны в тех­нике: различные завесы, камеры сгорания газовых турбин, дутье в топках паровых котлов, распространение дыма из труб, газовые горелки и т.д. В основе изучения всех этих явлений лежат теории струйных течений - свободной затопленной струи, изотермических струй, струи воздуха, рас­пространяющейся в сносящем потоке.

Наиболее изученным видом турбулентных струй является свободная, затопленная струя . В настоящее время известно несколько теорий свободной турбулентности: теория Прандтля, теория Тейлора, новая теория Прандтля, теория Рейхарда, Маттиоли и других авторов. На основе существующих теорий свободной турбулентности и с их помощью профессор Г. Н. Абрамович разработал теорию свободных струй.

Е. И. Поляков высказал предположение, что начальная турбулент­ность не влияет на характер распространения свободной струи и установил, что в основном участке наблюдается один и тот же угол расширения струи, независимо от конструкции насадки, из которой происходит истечение. На характер изменения скорости свободной струи непосредственно влияет только кинематический импульс струи, который зависит от формы начального профиля поля скоростей. Экспериментальные данные подтвердили предположение о том, что абсолютные значения кинематических и энергетических характеристик струи зависят только от количества движения струи при выходе ее из насадки. Это положение учтено в новой теории свободных турбулентных струй Г. Н. Абрамовича и в работах В. Н. Талиева .

Решение многих задач вентиляции (воздушное отопление, аэрация и др.) связано с закономерностями развития неизотермических струй. Первая попытка определения траектории неизотермической струи была сделана В. В. Батуриным и И.А. Шепелевым . В их работе установлено, что искривление неизотермической струи зависит от критерия Архимеда. Для определения траектории оси струи использовались кинематические решения. В результате графического сложения векторов скоростей потока ветра, входящего в ворота и векторов средних скоростей вдоль оси струи воздушной завесы В. В. Батурин и И. А. Шепелев получили уравнение изогнутой оси струи воздушной завесы.

С. С. Сыркин и Д. H. Ляховский экспериментально исследовали формы струи подогретого воздуха, вытекающего в воздух нормальной температуры. Результаты опытов дали значительное отклонение от теоретического решения В. В. Батурина и И.А. Шепелева.

Г. Н. Абрамович, используя экспериментальные данные , разработал теоретический метод расчета формы искривленной струи для горизонтального истечения, позже уравнение траектории струи в более общем виде было дано И. А. Шепелевым . Затем И. А. Шепелев аналитически получил основные расчетные зависимости для свободных неизотермических струй различной формы: осесимметричной, плоской и веерной. Теория И. А. Шепелева дает хорошую сходимость для фонтанов, в тоже время значения осевой скорости и избыточной температуры в ряде случаев значительно отличаются от опытных данных.

Аналитические формулы для расчета траектории неизометрической струи получены также В. Н. Талиевым и В. С. Омельчуком и дают близкие результаты.

Теоретические и экспериментальные исследования по воздушным завесам можно подразделить на две группы:

· работы, где изучается траектория воздушной струи;

· работы, рассматривающие завесу как шибер, уменьшающий количество проходящего через проем воздуха.


1.1.2. Воздушные струи в сносящем потоке

Взаимодействие струи со сносящим потоком весьма сложно. При истечении струи в сносящий поток под некоторым углом к последнему, ось струи под действием сносящего потока искривляется в сторону движения воздуха. Г. С. Шандоров непосредственным измерением установил, что перед газовой струей в сносящем потоке и в лобовой части самой струи имеется зона повышенного статического давления, а в кормовой части струи и за струёй - зона разрежения. Разница давлений по обе стороны струи является физической причиной искривления ее траектории. Форма поперечного сече­ния круглой струи под действием сносящего потока деформируется и стано­вится подковообразной. Это объясняется тем, что периферийные слои струи, имеющие малую скорость и интенсивно сдуваемые воздухом, имеют боль­шую кривизну траектории, чем основная масса струи.

Характер взаимодействия между струей и сносящим потоком таков, что за струей и в самой струе имеются вторичные вихревые течения. В результате процесс перемешивания газа с воздухом в такой струе должен про­исходить значительно интенсивнее, чем в струе, вытекающей в неподвижную среду. Однако в на основе измерений в нескольких нормальных сечениях струи установлено, что масса струи, развивающейся в поперечном потоке, изменяется примерно так же, как и у свободной.

Траектории распространения струй в сносящем потоке наиболее полно исследованы в работах Ю. В. Иванова . Им исследованы траектории одиночной круглой, плоской и прямоугольной струй в свободном поперечном и ограниченном потоке, а также траектории круглых и прямоугольных струй, размещенных в ряд, в поперечном ограниченном поле.

Для создания плоской струи использовались сопла с шириной 0,9; 2,7; 4,0 мм. Опыты проводились при двух значениях отношения абсолютных температур Т2/ T1=1 и 2. При этом отношения кинети­ческих энергий струи и сносящего потока изменялись в широких пределах от 400 до 12,5. Опыты проводились с соплами, ориентированными под углом а=0° и а=30°. Схема развития струи дана на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Схема развития струи в поперечном потоке

В результате обработки опытных данных Ю. Б. Ивановым предложено уравнение для расчета плоской струи в сносящем потоке:

где в о - полуширина сопла;

у - расстояние от оси сопла по нормали к сносящему потоку;

х - расстояние от оси сопла по направлению сносящего потока;

v, w o - скорости истечения газа и сносящего потока;

p, р о - плотности газа и сносящего потока;

а - коэффициент структуры струи;

q - гидродинамический параметр, равный отношению кинетических энергий струи и потока.

В качестве оси струи Ю. В. Иванов принимал линию, соединяющую точки с максимальными значениями скоростей.

В 1965 г. С. Е. Бутаков и В. Д. Столер поставили специальный эксперимент для проверки принимаемого многими авторами допущения о постоянстве количества движения в поперечных сечениях турбулентных струй. Результаты показали, что количество движения в струе, истекающей из круглого отверстия в сносящий поток, остается постоянным, но всегда составляет величину меньшую, чем при отсутствии сносящего потока, и тем меньше, чем больше угол наклона струи к потоку и скорость сносящего потока.

И. Б. Палатник и Д. Ж. Темирбаев провели подробное исследование закономерностей распространения осесимметричной воздушной струи в сносящем потоке. В аналитическом решении траектория струи определена путем составления баланса сил на выделенный элемент струи. Окончательное уравнение траектории струи имеет сложный вид и вычисления ее проводились численным методом. Экспериментальное изучение структуры течения, особенностей данного вида струйного движения, закономерностей поля сил, действующих на струю как при изотермическом, так и при не изотермическом течении, отражено в работе . Для d= 20 мм, а = 90° и q = 0,17*0,04 получена следующая формула для траектории струи:

Траекторией струи авторы работы считали геометрическое место то­чек, являющихся центрами импульсов в каждом сечения струи. В этих экспериментах установлено, что массовый расход в струе в сносящем потоке рас­тет в несколько раз быстрее, чем в струе, вытекающей в неподвижную среду. Достоверность такого результата подкрепляется тем, что проведенные изме­рения показали постоянство избыточного теплосодержания в разных попе­речных сечениях струи. Уровень турбулентности в такой струе оказался значительно выше, чем в свободной затопленной струе и в месте наибольшей кривизны траектории достигал 35%.

Всякая турбулентная струя, истекающая вблизи какой-либо поверхности, будет испытывать влияние этой поверхности. Это явление, вошедшее техническую литературу под названием "эффект Коанда" играет важную роль при изучении искривления струй газа.

Первые попытки теоретического обоснования этого явления были сделаны в 1960 г. С. Буркви и В. Ньюманом. В основу расчета были положены следующие предпосылки: давление внутри циркуляционной зоны распределяется равномерно, осевая линии струи изгибается по дуге окружности радиусом R, ширина струи мала по сравнению с радиусом R, распределение скоростей в изогнутой струе происходит по аналогии со свободной струей, количество движения в струе сохраняется постоянным.

В результате авторы исследования получили уравнение для определения основных параметров струи, развивающейся вблизи плоской поверхно­сти. Так, расстояние вдоль плоской струи до точки деления потока на прямой и обратный определяется по следующей зависимости:

Угол наклона струи при встрече с плоской поверхностью:

Где - постоянная величина

Г. Н. Абрамович получил уравнение оси струи, основанное на сло­жении вектора скорости потока с вектором средней скорости в данном сече­нии струи.

Работа Г. Н. Уфимцева, Ж Б. Белотелова сводилась к определению изогнутой оси струи с помощью теории В. В. Батурина и И. А. Шепелева. Позднее И. А. Шепелев предложил новый метод расчета завес, также основанный на использовании принципа наложения потоков. В этом методе для нахождения уравнения траектории оси складывались функции тока струи и сносящего потока, при этом считалось, что статическое давление в струе остается постоянным. И. А. Шепелевым были получены формулы, с помощью которых можно определить количество воздуха, поступающего в помещение при действии завесы. Однако, вышеуказанный метод решения справедлив для идеальных жидкостей, т.е. тогда когда при взаимодействии потоков не учитывается влияние вязкости воздуха. Поэтому, предлагаемые аналитические выражения имеют значительную погрешность по сравнению экспериментальными данными.

В дальнейшем большое распространение получили динамические методы решения.

Г. Н. Абрамович использовал схему, предложенную М. С. Волынским , по которой кривизна струи определялась из условия уравновешивания силы, вызываемой разностью давлений на передней и задней стенке струи, центробежной силой. Приняв форму струи в виде эллипса, а коэффициент расширения струи таким же, как прямоугольной струи, Г. С. Абрамович получил следующее уравнение для оси струи:

Где:

Сn - коэффициент силы, зависящей от формы крыла.

Для определения оси плоской струи в сносящем потоке им предложено

выражение:

Экспериментальные исследования показали, что на величину ко­эффициента сопротивления Сп при обтекании струи воздушным потоком ока­зывает влияние перепад статического давления вокруг струи.

Вахламов получил уравнение оси струи, используя уравнение ко­личества движения при взаимодействии струй с потоком в проекциях на оси координат. Хотя в процессе решения принимаются довольно грубые допущения, теоретические данные хорошо согласуются с опытными для осесимметричной струи.

Т.А. Гиршович удалось найти теоретически не только форму оси плоской струи, но также ее границы и профиля скоростей в различных поперечных сечениях. Задача решалась в криволинейной системе координат, ось абсцисс которой совмещена с осью струи, а ось ординат - нормаль к ней. В этой системе координат записаны уравнения пограничного слоя для зоны смешения с учетом поля давлений, создаваемого центробежными силами и переменной скорости. Для определения внешней границы струи (со стороны набегающего потока) последняя рассматривалась условно как гра­ничная поверхность тока, полученная от сложения набегающего потенциального потока с системой источников, расположенной на линии, параллельной набегающему потоку и проходящей через начало струи. Причем, распределе­ние источников подбиралось из дополнительного условия, сводящегося к то­му, чтобы давление на границе струи набегающего потока были одинаковыми.

Т. А. Гиршович было проведено также экспериментальное исследо­вание основного и начального участка струи в сносящем потоке. При изуче­нии основного участка рассматривалась струя, выходящая из сопла шириной 1,5 мм. и длиной 300 мм. Сносящий поток создавался аэродинамической трубой диаметром 44 мм. Сравнение Т. А. Гиршович теоретического решения с экспериментальным показало, что ось струи, рассчитанная аналитически, не совпадает с опытными данными. В работе также предложены теоретиче­ские зависимости для расчета развивающейся в попутном потоке веерной струи. В 1973 г. Т. А. Гиршович предложила при расчете параметров плоской турбулентной струи в сносящем потеке учитывать величину разряжения за струёй как некоторую эмпирическую константу. На основе экспериментальных данных она установила, что величина разряжения в сносящем потоке за струей постоянна и равна:

Е. В. Ржевский и В. А. Костерин провели исследо­вание распространения веерных и парных плоских струй в поперечном пото­ке, основанное на взаимодействии сил, воздействующих на элементарный участок струи. Они экспериментально подтвердили, что форма оси веерной и парных плоских струй в сносящем потоке зависит от гидродинамического параметра. Для веерной струи при β = 90° и q = 14-65 было получено:

Опыты показали, что веерная струя отклоняется сильнее, чем одиночная плоская.

Н. И. Акатнов предложил ещё один способ теоретического решения задачи о развитии круглой турбулентной струи в поперечном потоке. Он на­ходил изменение количества движения, которое происходит под действием профильного сопротивления и сопротивления «стока», возникающего вслед­ствие того, что условная граница струи является проницаемой. Полученные им уравнения оси струи и распределение максимальных скоростей вдоль оси струи дают удовлетворительной совпадение с опытами Иванова.

Я. М. Визель и Й. Д. Мостинский , по аналогии с работой Г. Н. Аб­рамовича, рассматривали в своих аналитических решениях струю как крыло, на которое действует сила набегающего потока. Авторы определили форму оси плоской струи исходя из величины лобового сопротивления, которое струя оказывает потоку:

где; Сх - коэффициент лобового сопротивления струи сносящему потоку.

Сравнение с опытными данными показало, что при Сх = 5 и β = П/2

отклонение опытов от теоретической кривой достигает ± 20% (рис. 1.2). Такое расхождение получено и для круглой струи в сносящем потоке.

Рис. 1.2. Траектории струи.

И. А. Шепелев сделал попытку определить форму оси струи неза­висимо от формы приточного отверстия, вычислив величину действующих сил в направлении координатных осей. Он связал их с приращением расстояния dx и dy. Полученное им уравнение оси струи, вытекающей из отверстия произвольной формы под произвольным углом к сносящему потоку, имеет вид:

где: в, l - размеры сопла вдоль, и поперек сносящего потека (ось х на­правлена навстречу сносящему потоку, ось z- вертикально вверх).

Коэффициент аэродинамического сопротивления струи С И. А, Шепелев рекомендует принимать равным 5.

В работе Н. М. Соколовой посвященной исследованию вертикальных воздушных фонтанов, распространяющихся в сносящем потоке, ис­пользуется схема решения И. А. Шепелева. Для установления связи между силами, воздействующими на воздушный фонтан, и перемещениями, Н. М. Соколова рассматривала уравнения количества движения, составленные в проекциях на оси координат. Получены общие формулы, определяющие ко­ординаты оси сносимого компактного плоского воздушного фонтанов.

Для сносимой изотермической струи, истекающей из щелевидного от­верстия, формула имеет вид:

где: Кn – постоянный множитель;

Подобное уравнение получено также Я. М. Визелем, И, Л. Мостинским

Значение численного множителя Кn = 2,85.

Г. С. Шандоров , приняв за основу условие равновесия между аэро­динамической силой, изгибающей струю и центробежной силой, действующей на элемент струи, вывел уравнение, связывающее координаты оси струи:

Проведенные им эксперименты со струёй, втекающей в поток под уг­лом 60°, с отношением динамического давления потока и струи q = 0,0403 - 0,4 и постоянной Сn = 4,7, показали удовлетворительное совпадение с урав­нением .

А. М. Эпштейн , пользуясь теоретическими разработками Г. Н. Абрамовича , получил уравнение оси сносимой неизотермической струи:

где: п - экспериментальная постоянная;

Ач - критерий Архимеда.

И. В. Календайте и М. Я. Залишаускас получили уравнение траектории плоской свободней струи при разных давлениях с двух сторон :

где: k - безразмерный коэффициент.

Метод расчета деформации осей двойных плоскопараллельных струй с учетом перепада статического давления на участке сближения был предло­жен в 1966 г. Б. Г. Худенко .

Также как и в Б. Г. Худенко предполагал, что турбулентные пуль­сации не проникают в пространство между струями, движение воздуха в этой области носит потенциальный характер и происходит без потерь полного давления. Для аналитического выражения профиля скоростей им была принята формула Г. Шлихтинга. Коэффициент разряжения между струями вы­ражается для начального участка:

для основного: участка:

где: А2 - теоретическая константа;

ао - экспериментальная константа;

- относительной расстояние сечения от полюса струи.

Согласно , значения остальных констант могут быть приняты φ1 = 0,981; φ2 = -2,04; А1=0,45; φгр = 2,412.

Координаты оси изогнутой газовой струи

Влиянием эжекции воздуха из межструйного пространства пренебрегалось и считалось, что оси смешивающихся струй распространяются прямолинейно. Повышение статического давления на участке смешения струй в рас­четах не учитывалось.

В 1968 г. К. Форстер, А. К. Мисро и Д. Г. Митчел при расчете налипающей на плоскую поверхность струи предложили учитывать влияние зоны повышенного статического давления, возникающей в месте столкновения струи с поверхностью.

В отличие от известной работы, они предложили в уравнение ко­личества движения изогнутой струи, на участке приближения ее к поверхно­сти, вместо величины атмосферного давления учитывать среднюю величину повышенного статического давления.

В 1970 г. В. А. Арутюнов и Ю. М. Перепелкин., используя теоретические разработки , и применив для описания распределения скоро­стей в плоской налипающей на поверхность струе формулу Г. Шлихтинга для слоя конечной толщины, получили уравнение длины зоны циркуляции, образующейся при налипании плоской струи на поверхность.

В специальных сооружениях строительных комплексов, про­мышленных зданиях нашли широкое применение системы венти­ляции и кондиционирования воздуха. Эффективное функциониро­вание их зависит от способов подачи воздуха потребителям. Как правило, такая подача осуществляется с использованием струй. Целесообразно поэтому выявить основные закономерности течения струй и получить необходимые расчетные выражения.

Воздушные струи представляют собой перемещающиеся в сплошной среде потоки воздуха (газа), имеющие конечные раз­меры. Рассмотрим воздушную струю, вытекающую через отвер­стие (рис. 9.1). По своей форме струя напоминает факел. На границах его с неподвижной воздушной средой развивается множест­во вихрей. При этом массы неподвижного воздуха вовлекаются в движение, следствием чего будет увеличение расхода в струе при удалении от отверстия. Скорости в струе при этом уменьшаются. Необходимо отметить, что границы струи являются как бы раз­мытыми, так как значения скоростей движения у границ неболь­шие. На практике границами поперечных сечений струи считают точки, в которых местные скорости составляют около 1 % от зна­чений осевой скорости движения газа. Граничные контуры струи представляют собой кривые линии незначительной кривизны. Для продольного сечения струи криволинейный граничный контур мож­но аппроксимировать ломаными линиями АСЕ и BDF .

Рис. 9.1

Пусть из отверстия радиусом r 0 вытекает свободная осесим-метричная воздушная струя. В струе выделяют три характерных участка: начальный - 1 , переходный - 2 , основной - 3 . Осью струи является ось абсцисс х. Границы начального и переходного участков обозначены прямыми АС и BD. Соответственно граница­ми основного участка будут линии СЕ и DF. ТочкаМ пересеченияэтих линий находится на оси х и называется полюсом струи, абс­цисса которого X 0 .

Допустим, из отверстия струя вытекает с постоянной ско­ростью v 0 . В начальном участке выделяются две характерные зо­ны: первая - ядро постоянных скоростей и вторая - пограничный слой. Ядро имеет эпюру скоростей в попереч­ном сечении в виде прямоугольника со значениями скоростей v 0 . Площадь поперечного сечения ядра постоянных скоростей по дли­не струи уменьшается. Ядро как бы «выклинивается». Сечение, где исчезает ядро постоянных скоростей, является конечным для на чального участка и имеет абсциссу х H . В пределах пограничного слоя скорости течения изменяются от v 0 до нуля. На рис. 9.1 приведена эпюра скоростей для произвольного сечения с координатой X 1 начального участка. На эпюре видны особенности распределе­ния скоростей, характерные для обеих зон.

Переходный участок ограничен теми же линиями АС и BD, что и начальный участок, но лежит между сечениями с абсциссами х H и х П . Этот участок состоит только из пограничного слоя. В пере­ходном участке формируются поля скоростей, характерные для ос­новного участка. Эпюра скоростей для произвольного сечения с абсциссой х 2 переходного участка приведена на рис. 9.1. В практи­ке обычно длиной переходного участка пренебрегают, заменяя участок одним переходным сечением. При этом сечения с абсцис­сами х H и х П совмещают и ограничиваются использованием только абсциссы х П .

Основной участок струи расположен в границах СЕ и DF. Он также состоит только из пограничного слоя. Характерная эпюра скоростей для произвольного поперечного сечения с абсциссой х 3 представлена на рис. 9.1. Скорости изменяются от максимальной w x на оси до нуля. Границы основного участка наклонены к оси струи под углом 0. Для вентиляционных струй тангенс этого угла tan θ = 0,22. Ранее было отмечено, что, продолжая граничные ли­нии основного участка до осевой линии, можно получить точку пе­ресечения М - полюс струи. Полюс может располагаться как за отверстием, так и до него. Место расположения определяется на­чальной скоростью течения в струе. Классифицируют струи по раз­личным характеризующим признакам.

По особенностям геометрии пространственных форм струи под­разделяются на круглые, плоские, кольцевые и веерные. Круг­лые струи формируются при истечении через отверстия, верти­кальный и горизонтальный размеры которых имеют один порядок. Плоские струи вытекают через отверстия, у которых горизон­тальный и вертикальный размеры отличаются друг от друга на по­рядок и более (истечение через длинные щелевидные отверстия). Применяются также кольцевые и веерные струи . В системах вентиляции встречаются все перечисленные выше струи, однако чаще применяются круглые струи, поэтому в даль­нейшем ограничимся рассмотрением только их.

В зависимости от режима движения газа в струе различают ламинарные и турбулентные струи. Вентиляционные струи всегда бывают турбулентными. Существуют свободные и несвободные струи. Если струя распространяется в среде без помех от стен, колонн и т. д. на всей своей длине, она называ­ется свободной. Свободные струи являются обычно осесимметричными. Контакт струи с какими-либо поверхностями приводит к ис­кажениям геометрических форм ее. Струя в этом случае будет не­свободной. Выделяются затопленные и незатопленные струи. Если вещество струи и среды, куда происходит истечение, одно и то же, то струя является затопленной. Для незатопленных струй вещество струи и среды различно. Вентиляционные струи считаются затопленными.

Различают непрерывные и импульсные струи в зависимости от особенностей течения в струях во времени. Непре­рывные струи представляют собой установившиеся во времени по­токи, параметры их стабильны. В импульсных струях поступление воздуха происходит отдельными порциями. В зависимости от со­отношения скорости звука в газе при данной температуре и скоро­сти течения газа в струе различают дозвуковые и сверх­звуковые струи. Вентиляционные струи являются дозвуковы­ми. Газ в них перемещается со скоростью, много меньшей скоро­сти звука. Воздух, как и любой газ, сжимаем. Плотность его мо­жет значительно изменяться в зависимости от давления. Если вдоль оси струи значения плотности заметно отличаются в различ­ных сечениях, то имеет место струя со сжимаемой сре­дой. Если плотность по длине струи практически постоянная, то имеется струя с несжимаемой средой.

Температура воздуха, вытекающего через отверстие, может от­личаться от температуры окружающей среды. Смешение воздуха среды с имеющимся в струе приводит к изменению температур по длине струи. Следствием такого изменения температур будет переменная по длине струи плотность воздуха. Струя с переменной по длине температурой носит название неизотермической струи. Если температуры воздуха в струе и среде, куда происхо­дит истечение, одинаковы, то имеет место изотермическая струя.

К настоящему времени теория затопленных струй достаточно полно разработана рядом отечественных и зарубежных ученых. Основополагающие результаты получены в работах советских уче­ных Г. Н. Абрамовича, В. Н. Талиева, М. И. Гримитлина и др. Среди зарубежных исследователей необходимо отметить Л. Прандтля, Г. Шлихтинга, В. Толлмина, Т. Трюпеля и др. В настоящей главе по известным из литературы результатам изложены основы теории воздушных турбулентных струй. На основе теории струй разрабатываются конструкции раз­личных воздухораспределяющих устройств, проектируются систе­мы вентиляции.

Струйные течения в помещении

Вентиляционный процесс обеспечения микроклимата

Характер распределения примесей вредных веществ в вентилируемом помеще­нии определяется главным образом возникающими воздушными течениями, кото­рые, в свою очередь, зависят от принятого способа организации воздухообмена.

Решающая роль в формировании полей температуры, скорости и концентрации

примесей принадлежит приточным струям и создаваемым ими циркуляционным течениям. При помощи приточных струй можно обеспечивать в определенных зонах помещения заданные параметры воздушной среды, существенно отличающиеся от таковых в окружающем пространстве (воздушные души, воздушные оази­сы); создавать воздушные завесы, препятствующие врыванию в помещение холодно­го воздуха; применять устройства, способствующие сдуву вредных веществ к месту их организованного удаления (местные отсосы с передувками).

Конвективные (тепловые) струи, формирующиеся вблизи стен и поверхностей оборудования, имеющих температуру, которая отличается от температуры окру­жающего воздуха, также могут оказывать определенное влияние на распреде­ление вредных веществ в помещении.

Тепловые струи, возникающие над нагретым оборудованием, способствуют выносу теплоты и вредных примесей в верхнюю зону помещений. Мощные кон­вективные потоки переносят в верхнюю зону помещений газы и пары даже в том слу­чае, если они тяжелее воздуха.

Струей называется поток жидкости или газа с конечными поперечными размера­ми, определяемыми границей струи. В технике вентиляции имеют дело с воздушными струями, которые распространяются в воздухе помещения. Такие струи называются затопленными. Вентиляционные струи являются турбулентными.

В зависимости от температуры истечения струи разделяются на изотермические и неизотермические. У изотермических струй температура во всем ее объеме равна температуре окружающего воздуха, у неизотермических струй температура изменяет­ся по мере ее развития, приближаясь к температуре окружающего воздуха.

В зависимости от конструкции воздухораспределительного устройства струи могут развиваться по разным траекториям. На рис.6.1 изображено развитие изотерми­ческой осесимметричной струи, все поперечные размеры которой симметричны от­носительно ее оси, которая является прямолинейной.

На границе струи, где продольная составляющая скорости равна нулю, имеет место интенсивное подмешивание масс воздуха в струю и уменьшение скорости воздуха. В пределах координатыскорость воздуха по оси струи и в ее поперечном сечении равна скорости истечения. Этот участок называется начальным. В последующем осе­вая скорость уменьшается, как и скорость в поперечном сечении.


Осессиметричные струи вытекают из круглого отверстия и являются компактны­ми. К компактным относятся также струи, вытекающие из квадратных и прямо­угольных насадков.

Плоские струи (рис. 6.2,а) образуются при истечении воздуха из щелевых отвер­стий с соотношением сторон больше 20. Струя рассматривается как плоская на рас­стоянии, гдеразмер большей стороны отверстия; в последующем струя рассматривается как компактная.

Веерные струи (рис. 6.2,б) образуются при принудительном рассеивании воздуха в плоскости на некоторый угол. Различают полные веерные струи с углом принуди­тельного рассеивания 360 град, и неполные веерные с углом менее 360 град/

Рис.6.1.Свободная изотермическая осесимметричная струя

Конические струи (рис.6.2.в) образуются при установке на выходе воздуха из от­верстия рассеивающего конуса с углом при вершине 60 ± 2,5°.

Формирование воздушной струи в процессе преодоления нарушений звукопроизношения является основным направлением логопедической коррекции, без которого невозможно достигнуть желаемого результата.

Основным назначением дыхательного аппарата является осуществление газового обмена т. е доставка в ткани организма кислорода и выведение из них углекислого газа. И этот обмен совершается благодаря периодическому обновлению воздуха в лёгких, которое происходит при попеременном чередовании дыхательных фаз – вдоха и выдоха.

Различают три основных типа дыхания:

  • ключичный
  • рёберный (грудной)
  • диафрагмальный (брюшной)

При ключичном дыхании поднимается плечевой пояс и верхние рёбра, происходит расширение преимущественно верхней части грудной клетки.

При рёберном (грудном) грудная клетка расширяется вперёд и в стороны.

В диафрагмальном дыхании – диафрагма опускается и увеличивается главным образом нижняя часть грудной клетки; брюшная стенка при этом выпячивается.

Чистых типов дыхания в действительности не наблюдается. В любом типе дыхания в большей или меньшей степени активно действует диафрагма. Поэтому практически можно говорить лишь о преимущественно ключевом, преимущественно брюшном, или ключичном дыхании.

Типы дыхания зависят от пола, возраста, профессии.

Так, у женщин чаще наблюдается грудной тип дыхания, у мужчин- брюшной, у работников физического труда превалирует брюшной тип дыхания, у лиц, занятых канцелярской и вообще сидячей работой- грудной тип.

У детей обычно бывает смешанный тип дыхания т. е средний между брюшным и грудным.

При глубоком, или полном дыхании сочетаются три типа дыхания – ключичный, грудной, брюшной.

В течение 1минуты происходит 16-20 полных дыхательных движений (вдохов и выдохов). Длительность вдоха почти равна длительности выдоха (отношение времени вдоха ко времени выдоха равно приблизительно 1: 1, 25).

Это физиологическое дыхание, необходимое для жизнедеятельности.

Но чтобы ребёнок начал говорить, он должен освоить особый вид дыхания – речевое дыхание. Под этим термином понимается способность человека в процессе высказывания своевременно производить достаточно глубокий вдох и рационально расходовать воздух при выдохе. Речевое дыхание – основа звучащей речи, источник образования звуков, голоса. Оно обеспечивает нормальное голосообразование, помогает верно соблюдать паузы, сохранять плавность речи, менять громкость, использовать речевую мелодику.

Развитие речевого дыхания у ребёнка начинается уже в возрасте 6 месяцев идёт подготовка дыхательной системы к реализации голосовых реакций, и завершается к 10 годам.

Формирование речевого дыхания предполагает, в том числе, и выработку воздушной струи. Выработка воздушной струи считается одним из необходимых и значимых условий постановки звуков. Работа по воспитанию воздушной струи начинается на подготовительном этапе формирования правильного звукопроизношения, наряду с развитием фонематического слуха и артикуляционной моторики.

Известно, что звуки произносятся в фазе выдоха. Как правило, смычные взрывные и смычно – щелевые согласные звуки произносятся коротко, воздушная струя слабая. Сонорные звуки и щелевые требуют сильной длительной воздушной струи.

Произнесение большинства звуков позднего онтогенеза требует направленной воздушной струи. Рассмотрим на примере характеристики воздушной струи необходимой при произнесении шипящих и свистящих звуков.

Существуют три основных направления воздушной струи:

  1. воздушная струя направлена прямо по центру языка. Это характерно для произнесения большинства звуков; губно-губных (В, В, Ф, Ф, заднеязычных (К, К. Г, Г. Х, Х, переднеязычных (Т, Т, Д, Д, свистящих (С, С, З, З, Ц)
  2. воздушная струя направлена по центру языка вверх. Это характерно для произнесения шипящих (Ш, Ж, Щ, Ч) звуков и вибрантов (Р, Р).
  3. воздушная струя направлена по боковым краям языка Это характерно для произнесения смычно-проходных (Л, Л) звуков.

В соответствии с перечисленными направлениями прохождения воздушной струи в полости рта в логопедической работе используются следующие упражнения:

  1. «Сдуй снежинки с горки».(используйте кусочки ватки или паралоновые шарики) «Наказать непослушный язык». «Желобок».
  2. «Фокусы».
  3. «Идёт охотник по болоту»

Выработка воздушной струи может проводиться до артикуляционной гимнастики или одновременно с артикуляционной гимнастикой. Поскольку в формировании воздушной струи активное участие принимают щёки, губы, язык.

Артикуляционные упражнения, выполняемые на выдохе:

  • «Индюшата». На выдохе произносится «Бл-бл-бл».
  • «Наказать непослушный язычок». На выдохе произносится «Пя-пя-пя».
  • «Пулемёт» На выдохе произносится «Т-т-т».
  • «Моторчик». На выдохе произносится «Р-р-р».
  • «Жук» На выдохе произносится «Ж-ж-ж».

В системе логопедической работы по воспитанию воздушной струи можно выделить основные направления:

  1. Дутьё при сомкнутых губах.
  2. Дутьё сквозь губы, вытянутые трубочкой.
  3. Дутьё сквозь растянутые в улыбке губы.
  4. Дутьё на язык.

Рассмотрим подробнее каждое направление.

  1. Дутьё при сомкнутых губах. Для укрепления мышц щёк подготовительными могут считаться следующие упражнения:
    • «Надуть два шарика» Надувать щёки и удерживать в них воздух.
    • «Перекатывание шаров» Щёки надуваются поочерёдно.
    • «Худышки». Втягивать щёки при сомкнутых губах и при приоткрытом рте.
    • «Дутьё сквозь губы, вытянутые трубочкой». Напряжение круговой мышцы рта.
  2. Дутьё сквозь губы, вытянутые трубочкой.
    • Не надувая щёк, дуть сквозь сближенные и слегка выдвинутые вперёд губы, образующие посередине круглое «окошечко».
    • Сдувать с поднесённой ко рту ладони любой мягкий предмет (ватный шарик, бумажную снежинку и т. д).
    • Дуть на кусочек ваты, привязанные на нитки. Можно дуть снизу вверх на пушинки одуванчика, стараться, чтобы они дольше продержались в воздухе.
    • Дутьё на парусник, салфетку, лист, флюгер и т. п.
    • Дуть на карандаш, лежащий на столе так, чтобы тот покатился (на шестигранные)
    • Задувание свечи.
    • Надувание воздушных шаров, резиновых игрушек.
    • Пускание мыльных пузырей.
    • Дутьё с использованием свистков. Гудков, трубочек, губной гармошки.
    • Гонки по воде бумажных корабликов, целлулоидных игрушек, например, поддувание «рыбок».
    • Детям предлагают поочерёдно дуть на лёгкие игрушки, находящиеся в тазу с водой.
    • Сильно дуть на воду до образования брызг.
    • Можно натянуть горизонтально нитки и к вертикально висящим на ней ниткам привязать лёгких бумажных птичек, бабочек, стрекоз.
    • Дутьё – катание по жёлобку лёгких деревянных или целлулоидных шариков.
  3. Дутьё сквозь растянутые в улыбке губы.
    • «Пропеллер» Образовать узкую щель между растянутыми в лёгкой улыбке сближенными губами. Углы рта прижаты к зубам. Струю воздуха, направленную в эту щель, ребёнок рассекает движениями указательного пальца из стороны в сторону. Если щель образована правильно и струя достаточно сильная, звук от рассекаемого пальцем воздуха хорошо слышен.
    • Образовать узкую щель между растянутыми в лёгкой улыбке сближенными губами. Ребёнку предлагают положить между губами широкий кончик языка. Подуть на кончик языка.
    • Образовать узкую щель между растянутыми в лёгкой улыбке сближенными губами. «Пошлёпывать» язык губами, произнеся на выдохе звуки пя-пя-пя.
  4. Дутьё на язык.
    • Посередине языка вдоль его переднего края «сделать дорожку» - положить спичку со срезанной головкой и пустить ветерок, сдувая бумажные листочки.
    • Удержав язык широким за верхними зубами, нужно подуть на его кончик. Инструкция: «Улыбнись. Покажи зубы. Держи язык широким наверху. Чувствуешь ветерок? Подуй так ещё раз. Почувствуй, как подую я! » Можно использовать зеркало, чтобы ребёнок видел положение своего языка.
    • Широкий язык положить на нижнюю губу. Края языка свернуть так, чтобы образовался желобок. Легко подуть сквозь желобок.
    • «Сдуй снежинки с горки» Улыбнись. Покажи зубы. Приоткрой рот. Кончик языка удержи за нижними зубами. Приподними язык горкой. Подуй на язык.

В процессе коррекционной работы по формированию воздушной струи важно придерживаться следующих методических рекомендаций.

  • Упражнения проводятся в хорошо проветренном помещении.
  • Лучше выполнять упражнения стоя, при свободном положении тела в пространстве. Грудная клетка расправлена. Следить за осанкой.
  • Обращается внимание на то, чтобы ребёнок производил вдох глубоко и спокойно, через нос. Выдох через рот должен быть лёгким, плавным, без напряжения.
  • Следить за точностью направления воздушной струи.
  • Кратковременность упражнений (от 30секунд до 1, 5 минут). Гипервентиляция лёгких ведёт к обильному снабжению коры головного мозга кислородом, вследствие чего может возникнуть головокружение.
  • Дозированность количества и темпа упражнений. Интенсивное дутьё проводиться не более 5 раз за 1 приём, в течение нескольких секунд.
  • Нельзя надувать щёки.
  • Выдыхаемый воздух не задерживать. Можно придерживать щёки руками для использования тактильного контроля.
  • На начальных этапах можно использовать зеркало для привлечения зрительного контроля.
  • Контроль, за выдыхаемой струёй воздуха, осуществляется с помощью ватки, поднесённой ко рту ребёнка: если упражнение выполняется правильно. Ватка будет отклоняться.
  • Упражнения могут выполняться под счёт.

Желаем успехов Вам!