Циркуляция воздуха в помещении в зависимости от расположения приточных и вытяжных отверстий

В. В. Батурин, В. И. Ханжонков, инжeнeры, Московский институт охраны труда *

 

В распространении по помещению всякого рода «вредностей» (газы, пары, конвекционное тепло, пыль и пр.) и в установлении различных полей концентраций решающее значение имеют потоки воздуха, образующиеся в помещении.

Эти потоки возникают в результате взаимодействия струй между собой и между ними и предметами и поверхностями, встречающимися им на пути.

Струи могут быть различного происхождения – приточные (вентиляционные), тепловые от тел и поверхностей, имеющих температуру, отличную от температуры окружающего воздуха, струи, вытекающие из аппаратов, работающих под избыточным давлением, и т. п. Поэтому понятно, какое важное значение приобретает вопрос об изучении закономерностей отдельных струй, их взаимодействия и вызываемой ими циркуляции.

Если свободная струя, распространяющаяся в неограниченном пространстве, достаточно изучена с точки зрения ее структуры, то совершенно не изучены те циркуляционные потоки, которые вызываются струей в замкнутом помещении, вследствие чего общая картина движения потоков в помещении остается неясной.

В установлении общего движения потоков большая роль принадлежит струям, создаваемым вентиляцией, а следовательно, тому или иному расположению приточных и вытяжных отверстий в помещении.

Для выяснения этого вопроса были поставлены опыты с плоской и пространственной моделями. На первом этапе изучения ставились простейшие схемы расположений приточного и вытяжного отверстий с целью установления общих закономерностей потоков воздуха.

Наблюдения производились с изотермическим потоком, т. е. в полость модели впускался воздух (или в водяном лотке – вода) той же температуры, что и в модели.

Первоначальные опыты производились в плоском закрытом канале размером 400 х 730 х 40 мм³. Канал имел боковые стеклянные стенки, через которые производились наблюдения. Обе торцевые стенки с круглыми отверстиями, равными 40 мм (диаметр равен ширине канала), были устроены подвижными, что позволяло изменять расположение отверстий по высоте. Через полость модели прогонялся воздух, подкрашенный дымом. Воздуходувка обычно приключалась всасывающей стороной к одному или двум отверстиям, и тогда другие отверстия служили приточными. Картина потоков фотографировалась или зарисовывалась.

При сравнительно большом изменении числа Рейнольдса (от 8 000 до 100 000), вычисленного по диаметру приточного отверстия, картина потоков оставалась практически неизменной.

Это обстоятельство позволяет думать, что явление в отношении Re остается автомодельным, т. е. что явление не зависит ни от скорости, ни от масштаба модели.

Вместе с этим наблюдение потоков производилось и в геометрически подобном лотке с водой, поверхность которой посыпалась порошком магния. Снимки в гидролотке оказались совершенно идентичными со снимками, сделанными в плоском воздушном канале, но более отчетливыми, поэтому в дальнейшем они и приводятся.

Вторым этапом работы было изучение потоков в пространственной модели размерами 400 х 500 х 700 мм³. Отверстия для притока и вытяжки имели в этом случае диаметр 40 мм.

Воздух, подкрашенный дымом, прогонялся через полость модели. Ввиду ненаглядности фотоснимков в пространственной модели картина потоков зарисовывалась и описывалась. Когда накопился некоторый опыт, то оказалось возможным для понимания характера движения потоков в пространственной модели использовать снимки, сделанные в лотке.

Однако картины перетекания в плоской модели имеют свои специфические особенности, которые не находят места в пространственной и поэтому требуют пояснения. Так, если расположить вытяжку внизу модели в точке В (рис. 1а), а приточное отверстие в противоположной торцевой стенке сначала внизу, а затем перемещать его кверху до точки А, расположенной на расстоянии: примерно 11/16 Н от низа (от уровня вытяжки), то приточная струя в этом промежутке по изогнутым траекториям направляется к вытяжке к точке В. Если приток поступает точно из точки А, то он направляется (при том же положении вытяжки) либо книзу к точке В, либо кверху к точке С. При дальнейшем перемещении приточного отверстия кверху от точки А приток прижимается к стенке и направляется кверху к точке С **.

Таким образом, в плоской модели имеется некоторая точка А (при данных размерах модели находящаяся на высоте 11/16 Н от низа или уровня расположения вытяжки), характерная тем, что приток, выходящий из нее, может менять свою траекторию.

То обстоятельство, что передвижение приточного отверстия на 3/16 Н от середины не вызывает изменения схемы перетекания, объясняется, по-видимому, влиянием спектра всасывания вытяжного отверстия на основную струю.

Понятно, что если вытяжное отверстие в плоской модели поместить вверху, а приточное перемещать сверху вниз, то получим зеркальное изображение рис. 1а, как это представлено в схеме на рис. 1б.

При расположении приточного и вытяжного отверстий посредине модели (рис. 1в) опять получим неустойчивое направление перетеканий. В исключительно редких случаях поток перетекает из точек А и В по прямолинейному направлению. Малейшее отклонение отверстия в точке А от середины ведет к тому, что поток начинает прижиматься к ближайшей стенке.

Рисунок 1. Струя воздуха, вытекающая из приточного отверстия, расположенного в плоской модели в точке А, может менять свою траекторию. Стрелками указаны места промежуточного расположения приточного отверстия

Это явление возможно объяснить тем, что при первом незначительном отклонении струи от середины размеры пространства, разделяемого ею, перестают быть одинаковыми. Питание же струи происходит в равной степени из обеих областей. Падение давления в меньшем по объему пространстве приводит к тому, что струя прижимается к ближайшей стенке. Кроме того, наличие в плоской модели независимых друг от друга вихревых систем в отличие от пространственной модели, где в аналогичных условиях расположения приточного отверстия вихревая система замкнута на себя, создаются условия для отклонения струи от прямолинейного направления.

Описываемое явление с неустойчивым направлением перетекания, заключающееся в переменной траектории струи, вытекающей из отверстия А, и в отклонении струи к одной из боковых стенок, и составляет специфическую особенность плоской модели. В пространственной модели оно не наблюдается; здесь условия питания струи имеют иной характер.

На рис. 2 изображено то крайнее неустойчивое направление потока, которое он имеет при перетекании от приточного отверстия, расположенного справа, к вытяжному (на всех снимках приток поступает справа). Струя по выходе из отверстия увлекает с собой значительные массы окружающего воздуха за счет турбулентного перемешивания, а так как через вытяжное отверстие удаляется только объем притока, то остальная масса образует циркуляционные потоки. Эти потоки у вытяжного отверстия растекаются симметрично вверх и вниз; далее они текут вдоль стенок, огибают углы, давая начало небольшим вихреобразованиям в них, и затем стелятся вдоль нижней и верхней стенок моделей. Немного далее середины модели они отделяются от стенок и направляются к основной струе, в то время как углы на стороне приточного отверстия (вверху и внизу), а также области между основной и циркуляционными струями заполнены вихрями. Как указано ранее, такое направление перетеканий неустойчиво и может перейти в устойчивое, изображенное на рис. 3, на котором видно, что приточная струя воздуха отклонилась к нижней стенке модели.

Рисунок 2. Приточная струя почти по прямой перетекает к вытяжному отверстию. Такое направление перетеканий в плоской модели крайне неустойчиво

На рис. 4 изображены потоки при расположении приточного отверстия в середине, а вытяжного – внизу модели. Направление течений устойчиво и имеет общий характер с картиной потоков, изображенных на рис. 3.

Рисунок 3. Устойчивое направление перетеканий в плоской модели. Струя отклонилась к нижней стенке. Могло быть отклонение к верхней

На рис. 5 приточное и вытяжное отверстия расположены внизу. Картина аналогична верхней половине рис. 2. Верхняя и нижняя части рис. 2 симметричны относительно оси, проходящей через приточное и вытяжное отверстия. Верхняя половина рис. 2 может служить моделью для случая, аналогичного рис. 5, но с уменьшенной вдвое боковой стороной.

Рисунок 4. Картина течений в основном остается такой же, как на рис. 3, несмотря на перемещение вытяжного отверстия

На рис. 6, 7 и 8 приводятся фотоснимки при других комбинациях расположений приточных и вытяжных отверстий. Сопоставляя эти рисунки и предыдущие, можно заметить, что изменение расположения вытяжного отверстия мало сказывается на общем характере движения потоков.

Таким образом, из рассмотрения этой серии снимков с несомненностью вытекает, что общее движение потоков в основном определяет расположение приточного отверстия. При любом расположении притока и вытяжки образуются застойные, медленно размывающиеся области. Таких областей несколько, в одних из них обмен происходит медленнее, в других быстрее. Наличие таких областей создает неоднородность различных полей.

На рис. 9 изображена картина течений при притоке через одно и вытяжке через два отверстия. Картина аналогична рис. 2. Некоторое отклонение основной струи обусловливается бóльшим расходом через верхнее вытяжное отверстие.

Рисунок 5. Устойчивое течение

На рис. 10 и 10а показано перетекание струи при двух приточных отверстиях на одной стороне по краям модели и вытяжном – на противоположной стенке посредине. Основные потоки у вытяжного отверстия сталкиваются и растекаются; при этом образуется новая струя, движущаяся в обратном направлении. Между этой струей и основными струями возникают две небольшие вытянутые вихревые зоны.

Рисунок 6. Устойчивое течение при расположении притока внизу, а вытяжки посредине модели. Характер потоков в основном сохраняется тот же, что и на рис. 5

На рис. 11 мы видим вытяжку, устроенную у края модели. Здесь также образуется новая струя, но движется она примерно по диагонали от вытяжного отверстия.

Рисунок 7. Устойчивое направление перетеканий

На рис. 12 и 13 приведены фотоснимки задымленных потоков воздуха. Снимки сделаны в плоском воздушном канале при расположении приточного отверстия внизу модели, а вытяжного вверху. Переходя к описанию явлений в пространственной модели, рассмотрим тот случай, когда приточное и вытяжное отверстия расположены внизу модели посредине в противоположных стенках. Приточная струя воздуха, выходя из отверстия, стелется по нижней стенке. Дойдя до стенки с вытяжным отверстием, струя растекается по ней в радиальных направлениях. Часть ее, равная количеству воздуха, поступившему в приточное отверстие, удаляется через вытяжное отверстие. Центр растечения расположен примерно на аэродинамической оси основного потока.

Рисунок 8. Приточное отверстие расположено внизу модели, вытяжное вверху. Снимок показывает, что непосредственное перетекание из приточного отверстия в вытяжное по кратчайшему расстоянию не имеет места

Рисунок 9. Циркуляция потоков при одном приточном отверстии и двух вытяжных

Радиальные потоки у верхней плоскости двух боковых и частично у нижней стенки поворачивают на 90°, движутся по стенкам по направлению к основной струе и вовлекаются ею в общий поток.

Во всех двугранных углах, образованных стенками с приточным и вытяжным отверстиями, возникают вихри. В трехгранных углах эти вихри сливаются, и в вершине угла образуется утолщенный вихрь эллипсовидной формы.

Между циркуляционными потоками и основной струей образуется пространство, заполненное вихрями. Это пространство имеет форму полукольца и опирается своими концами на стенку, по которой течет основной поток. Смена воздуха в этом полукольце в пространственной модели происходит более интенсивно, чем на плоской модели.

Рисунок 10. Рисунок сделан от руки по плоской воздушной модели

Рисунок 10a. Рисунок сфотографирован в гидролотке, геометрические размеры которого в 2 раза меньше воздушной модели

Еcли сделать сечение, проходящее через ось приточного и вытяжного отверстий, параллельно нижней плоскости камеры, то схема движения в этом сечении примет вид, подобный движению на плоской модели с расположением приточного и вытяжного отверстий посредине камеры (рис. 2). Разница будет заключаться лишь в том, что направление потоков в пространственной модели будет устойчивым, чего, как описывалось ранее, на плоской модели не наблюдается.

Если эту плоскость повернуть около оси на 90°, поставив ее параллельно боковым стенкам, то схема движения потоков будет аналогична движению их на плоской модели с расположением приточного и вытяжного отверстий на одной оси у низа модели (рис. 5).

Чтобы составить примерное представление об общей картине потоков в пространственной модели, следует плоскость с изображением потоков начать вращать; тогда непрерывный след, описываемый, например, некоторым участком вихревой области (рис. 14), даст в пространстве полукольцо и т. д. Таким путем может быть воссоздана примерная картина движения потоков в пространственной модели.

Рисунок 11. Циркуляция потоков в модели при двух приточных отверстиях (справа) и одном вытяжном (слева)

Переместим теперь вытяжное отверстие вверх на середину стенки на пересечение ее диагоналей. Приточное отверстие оставим на старом месте, т. е. посредине у низа камеры. Общий характер потоков в модели сохранится таким же, как и в предыдущем случае. Перемещение вытяжного отверстия дальше вверх по той же стенке, а также по верхней стенке или, наконец, при расположении его в одной стенке с приточным не меняет общего характера потоков в модели, если не учитывать той незначительной области, которая образуется в непосредственной близости у всасывающего отверстия.

Рисунок 12. Фотоснимок с плоской модели. Начальный момент задымления воздушного потока

Таким образом, общий характер потоков в основном определяется расположением приточного отверстия. Расположим приточное отверстие посредине стенки на пересечении диагоналей ее – вытяжное на противоположной. Чтобы составить представление о потоках в модели в этом случае, достаточно взять рис. 2 и вращать его около оси (на 180°), проходящей через середины отверстий. Любое сечение плоскостью, проходящей через отверстия, будет достаточно иллюстрироваться рис. 2. Таким образом, здесь след, оставляемый вихревой областью, даст в пространстве кольцо, охватывающее основную струю, как это схематически показано на рис. 15. Перемещение вытяжного отверстия на любую стенку и в этом случае не сказывается на схеме движения потоков.

Рисунок 13. Поток задымленного воздуха в более поздний момент (см. рис. 12)

Если поместить приточное отверстие в углу модели (ось отверстия параллельно стенкам), а вытяжку в любом месте, то основная струя движется по двугранному углу. На противоположной стенке она радиально растекается по ней и затем поворачивает на 90°, направляясь к основной струе.

В любом сечении плоскостью, проходящей через ось приточного отверстия, наблюдается примерно та же картина, что и на плоской модели при расположении приточного отверстия внизу. Вихревая область в этом случае будет опираться в нижнюю и боковую стенки и примет вид четверти кольца.

Данный прием построения картины потоков в пространственной модели с одним приточным отверстием на основе снимков в плоской модели не восстанавливает полностью действительной картины течения потоков во всех деталях, но дает приближенную схему движения, которая во многих случаях будет полезна при решении тех или иных вентиляционных задач.

Рисунок 14. Непрерывный след в пространстве, образуемый от вращения картины потоков плоской модели (плоскость F) вокруг оси О-О, дает примерную картину потоков в пространственной модели. Жирными линиями на рисунке показано построение центральной части вихревой области таким способом

Рисунок 15. Схема центральной части вихревой области в виде кольца в пространственной модели при расположении притока посредине модели

Приведенный материал ни в какой степени не претендует на то, чтобы дать исчерпывающий ответ на вопрос о циркуляции воздуха в производственных помещениях, вызванной тем или иным размещением приточных и вытяжных отверстий. В конкретной, особенно производственной обстановке, общая картина потоков неизмеримо сложнее, чем это наблюдалось при крайне упрощенных условиях на наших моделях. К тому же условия, в которых это там происходит, далеки от изотермических, что само по себе дает начало циркуляционным потокам с образованием неоднородных полей. Кроме того, струи, взаимодействуя с препятствиями, не только настилаются, но и дают срывы с дополнительными образованиями плохо проветриваемых зон, заполненных вихрями. Все это неизбежно влияет на общую картину циркуляционных потоков. Даже одна или две приточных струи в изотермических условиях создают достаточно сложную картину потоков как в плоской, так и в пространственной модели в особенности. Проведенные эксперименты показали, что установление общей картины потоков в основном обусловливается тем или иным расположением приточных отверстий.

Бесспорным остается то положение, что вытяжное отверстие практически не влияет на общий характер циркуляции потоков, а потому совершенно неправильно думать, что все потоки по выходе из приточного отверстия непосредственно направляются к вытяжному. Вытяжка удаляет лишь количество поступившего в помещение воздуха, но к последнему по пути к ней присоединяется воздух из помещения, и эта присоединившаяся масса течет не к вытяжному отверстию, а возвращается к приточной струе, чтобы питать ее, совершая своего рода циркуляцию.

Понятно, что для реальных условий из этого не следует делать тот вывод, что вытяжка может быть расположена где угодно. Реальные условия дают дополнительные указания к решению этого вопроса – вытяжку следует располагать в зонах наибольшей концентрации; если она вследствие наличия тепловых источников находится вверху, то вверху и должна производиться общая вытяжка и т. д.

Полученный в результате исследований материал этому не противоречит, так как он констатирует лишь, что в установлении общей картины потоков место расположения вытяжки не играет существенной роли.

Приведенный материал дает также ключ к пониманию картины потоков в замкнутом пространстве (на основе плоскостных снимков, которые при известном навыке могут быть нарисованы по интуиции, что существенно важно, так как картина потоков является достаточно сложной).

Достаточно вспомнить, какую пеструю картину концентрации (в широком смысле) дают замеры, производимые в реальной обстановке, на первый взгляд совершенно непонятные и необъяснимые, если не учитывать циркуляционных потоков.

 

* В проведении экспериментов принимал участие студент-дипломник МИСИ им. Куйбышева И. Н. Шницер.

** Каждый раз при изменении положения притока необходимо выключать вентилятор и дать воздуху в модели успокоиться, в противном случае можно получить искаженные траектории.