Влияние конструктивных особенностей воздухораспределительных устройств на генерируемый шум

М. Ю. Лешко, старший научный сотрудник НИИСФ

Невозможность снижения скорости истечения воздушной струи в целом ряде случаев требует замены данного воздухораспределителя на другой, наименее шумный, но с теми же или близкими кинематическими и тепловыми параметрами.

Вытяжные вентиляционные устройства также вносят свой вклад в шум в помещении. Но, в отличие от приточных, их шум как раз можно понизить до требуемых уровней путем снижения скорости потока воздуха в живом сечении путем увеличения габаритных размеров или количества устройств. Такие изменения, как правило, не приводят к нарушению схемы воздухораспределения.

Из-за достаточной простоты решения данного вопроса шум вытяжных устройств в рамках данной статьи не рассматривается.

Прежде чем перейти к акустичес-кой характеристике приточных воздухораспределительных устройств, целесообразно дать краткую характеристику вентиляционных струй.

Под вентиляционными струями понимаются турбулентные струи, которые возникают при принудительном истечении воздуха из отверстия и распространяются в помещении в направлении истечения, испытывая заметное влияние взаимодействия, неизотермичности и стеснения.

Струи могут быть наклонные, вертикальные, плоские, конические и веерные.

Характер каждого вида струи определяется конструктивными особенностями воздухораспределителя [1].

Бывают воздухораспределители, которые могут формировать не-сколько типов струй. Такие устройства называются универсальными.

Под наклонными понимаются компактные струи, у которых горизонтальный угол выпуска изменяется в пределах ±30° с целью обеспечения максимальной дальнобойности в зависимости от начальной разности температур струи и окружающего воздуха.

Вертикальные компактные струи подаются под углом ±30° к вертикали.

Компактные струи образуются при истечении воздуха из отверстий. Если приточное отверстие не круглое, струя вначале неосесимметричная, но превращается в осесимметричную на некоторой длине, называемой участком формирования.

К воздухораспределительным устройствам, формирующим такие струи, относятся регулируемые и нерегулируемые решетки и воздухораспределители, в основе конструкций которых заложены осесимметричные сопла.

Плоские струи образуются при истечении воздуха из щелевидного отверстия при условии ограничения потока с торцов гладкими параллельными поверхностями. Это воздухораспределители на основе плоских (ширина в несколько раз превышает высоту) конических или прямых сопел, прямоугольные отверстия и решетки с параллельными первоначальному потоку направляющими лопатками.

Веерные струи образуются при принудительном рассеивании приточного воздуха в плоскости на некоторый угол.

При этом различают полные веерные струи с углом принудительного рассеивания 360° (веерные решетки, дисковые и многодиффузорные плафоны различной конструкции, анемостаты) и неполные веерные струи, менее 360° (прямоугольные отверстия и решетки с параллельными направляющими лопатками).

Конические струи образуются при установке рассеивающего конуса на выходе из приточного отверстия. На всем протяжении она не смыкается, если угол при вершине конуса состав-ляет 60 ± 2,5°. Во внутренней и внеш-ней полостях струи образуются встречные питающие потоки.

Единственными известными конструкциями, выполненными по такому принципу, являются воздухораспределитель конический, разработанный ЦНИИЭП инженерного оборудования, и плафон регулируемый многодиффузорный ВНИИГС (при установке группы подвижных диффузоров в крайнее нижнее положение).

В НИИСФ в течение ряда лет проводились аэроакустические исследования особенностей и закономерностей генерации шума воздухораспределителями различных конструкций. Полученные результаты позволили сделать качественную и количественную оценку, как тот или иной конструктивный элемент воздухораспределителя влияет на характер и интенсивность генерируемого приточным устройством шума [1]. В данной работе приводятся комментарии по полученным результатам.

Известно, что основной причиной генерации шума воздушным потоком с помещенным в него каким-либо обтекаемым телом является возникновение и срыв вихрей с последнего (отрывное течение) с образованием аэродинамического следа с сильным завихрением.

Поверхность раздела между следом и собственно потоком является поверхностью вихревого слоя, который в силу неустойчивости, характерной для свободных вихревых слоев, на небольшом расстоянии от тела распадается на ряд дискретных вихрей (вихревой след).

За счет действия вязких сил дискретные вихри в свою очередь распадаются на ряд более мелких вихрей, вследствие чего вихревой след переходит в турбулентный.

Процесс образования вихрей одного масштаба и последующий распад их на вихри более мелкого масштаба сопровождается шумом, который носит название вихревого.

Кроме этого, когда набегающий на препятствие поток – турбулентный (это встречается у большинства конструкций воздухораспределителей из-за наличия в проточной части регуляторов расхода, лопаток и т. п.), то шум, сопровождающий процесс обтекания, будет значительно выше, чем при ламинарном потоке.

Если рассмотреть известные конструкции приточных воздухораспределительных устройств, то практически все они представляют собой «наборы» либо плохообтекаемых элементов, либо элементов типа диффузоров, провоцирующих отрывные течения.

Итак, худшими приточными устройствами, с точки зрения генерации ими аэродинамического шума, являются конструкции, в которых максимально проявляются отрывные течения воздушных потоков в проточной части.

К таким устройствам в первую очередь относятся перьевые регулируемые решетки (компактная струя), воздухораспределители, в конструкции которых имеются диффузорные элементы и устройства, изменяющие направление первоначального потока (веерная струя).

Шум перьевых решеток можно значительно понизить (на 5–12 дБА), придав перьям хорошо обтекаемую форму падающей капли с утолщенной частью навстречу потоку. Это приведет к положительному эффекту при скоростях потока воздуха между перьями решетки до 10–12 м/с.

Дальнейшее увеличение скорости даст противоположный результат: шум решетки с каплеобразными перьями возрастет по сравнению с обычными, непрофилированными.

Это объясняется тем, что каплеобразная форма двух соседних перьев образует по ходу движения воздуха диффузор, в котором при повышении скорости потока выше 12 м/с будут происходить интенсивные отрывные течения, которые и приведут к повышенному шумообразованию.

Это же относится к регуляторам расхода воздуха типа «бабочка», устанавливаемым в ряде случаев на входе в решетку, в которых каждые две створки закреплены на одной оси. Раскрываясь навстречу потоку при его дросселировании, створки образуют диффузор.

Многодиффузорным воздухораспределителям присущи те же недостатки, что и однодиффузорным. Однако если необходимо, чтобы воздушная струя из воздухораспределителя максимально быстро затухла в окружающем пространстве, то применение устройств на базе диффузоров является предпочтительным. Интенсивные отрывные течения в таких воздухораспределителях приводят к значительной турбулизации потока на выходе и, как следствие, быстрому затуханию струи.

Это же наблюдается и в воздухораспределителях, образующих веерные струи.

Веерная приточная решетка – это своего рода набор небольших диффузоров, установленных в выходной части устройства.

Другими воздухораспределителями, образующими веерные струи, являются дисковые плафоны.

Это конструкция, в которой струя воздуха, выходящая из основного патрубка, ударяется в горизонтальный диск, изменяет свое направление и рассеивается под углом 90° по отношению к первоначальному потоку. При этом в месте поворота возникает замкнутая вихревая зона, струя первоначально поджимается в месте расположения этой зоны, а затем расширяется, т. е. вихревая зона исполняет роль стенки диффузора с вытекающими из этого эффектами.

Кроме того, в дисковых плафонах и подобных им конструкциях при достижении определенных скоростей воздушного потока или при недостаточных размерах диска может наблюдаться размыкание вихревой зоны.

В этом случае в последнюю начинает интенсивно подсасываться воздух из окружающего пространства, возрастает интенсивность импульсного обмена между основным потоком и вихревой зоной, и как следствие – более интенсивные отрывные течения и более значительный шум.

Оптимальными с точки зрения генерируемого шума, т. е. наименее шумными, являются воздухораспределители на основе конфузорных элементов – конических сопел (компактные и плоские струи).

Их геометрическая форма способствует ламинаризации потока, следствием чего является ограничение турбулентных пульсаций (отрывных течений), что положительно сказывается на шуме этих устройств, позволяющих подавать в обслуживаемое помещение потоки воздуха с повышенными, по сравнению с воздухораспределителями других конструкций, скоростями.

Высокие скорости, в свою очередь, дают возможность добиться гидродинамической устойчивости приточной струи при колебаниях рабочей разности температур.

В результате проведенных аэроакустических исследований воздухораспределителей на основе конических сопел автором была определена оптимальная, с точки зрения генерации шума, величина конусности сопла (соотношение определяющих геометрических размеров входного и выходного сечений), равная 2,5–3,5.

Большие конструкторские проработки по созданию воздухораспределителей на основе конических сопел в свое время были проведены институтами ЦНИИЭП инженерного оборудования и МНИИТЭП [2, 3].

В какой-то степени конструкцией, в которой заложен принцип конфузора, можно считать воздухораспределитель, разработанный институтом ЦНИИЭП инженерного оборудования, формирующий коническую струю.

Особенностью разработки является сохранение постоянной площади свободного сечения для прохода воздуха между внутренним и внешним конусами, а само сечение по длине представляет собой конфузор, что уменьшает срыв потока с поверхностей проточной части устройства и генерацию шума.

Еще одной из причин повышенного шумообразования, общей для практически всех приточных устройств, является несовершенное условие подвода воздуха к воздухораспределителю.

Если воздуховод, соединяющий воздухораспределитель с магистральным участком сети, достаточно короток (меньше или равен четырем калибрам), воздушный поток после разветвления не успевает выровняться, и на входе в воздухораспределитель будет наблюдаться значительный перекос эпюры скоростей.

Локальная скорость по сечению может быть много выше (или ниже) средней расчетной скорости. В этом случае та часть воздухораспределителя, которая подпадает под воздействие повышенной скорости, будет генерировать больший шум, чем если бы скорость была расчетной.

Превышение может составить 6–13 дБА, в зависимости от величины расчетной скорости. Такую же картину можно наблюдать, когда поперечное сечение воздухораспределителя больше сечения подводящего воздуховода.

Пожалуй, единственное средство борьбы с таким явлением – это расширительные, или, что то же самое, статические камеры, устанавливаемые между воздуховодом и воздухораспределителем и обеспечивающие равномерный подвод воздушного потока к последнему.

Таким образом, оптимальная конструкция воздухораспределителя должна обладать рядом конструктивных особенностей, ведущих к уменьшению срыва потока в проточной части.

К таким особенностям относятся применение хорошо обтекаемых профилей, сохранение, если это не связано с конструктивными особенностями или конкретными задачами, постоянными проходных сечений по длине проточной части, использование осесимметричных сопел.

Кроме этого, на входе в воздухораспределитель желательно устанавливать камеру статического давления для обеспечения равномерного входа воздуха в устройство.

Литература

1. Рекомендации по расчету воздухораспределения в общественных зданиях. М.: Стройиздат, 1988.

2. Поз М. Я., Кац Р. Д., Лесков Э. А., Лешко М. Ю. Исследования аэродинамических и акустических характеристик высокоскоростных воздуховыпускных устройств в системах вентиляции и кондиционирования воздуха // Водоснабжение и санитарная техника. 1980. № 3. С. 26–28.

3. Тарнопольский М. Д., Салихов А. А., Гомберг С. Л., Алесковский В. Н., Лесков Э. А., Лешко М. Ю. Воздухораспределители спортивного комплекса «Олимпийский» // Водоснабжение и санитарная техника, 1983. № 4. С. 17–19.