Новости

Новости

Аэродинамический режим вентилируемых прослоек


Движение воздуха в вентилируемых прослойках вызывается наличием гравитационного и ветрового давления. С ростом этажности зданий усиливается роль ветрового давления на аэродинамический режим, как самих зданий, так и вентилируемых прослоек вентфасадов. На высоте 100 м скорость ветра в 1,5...2,4 раза выше по отношению к её величине на высоте 10 м. Атмосферное давление с увеличением высоты понижается, в среднем, на один гектопаскаль через каждые 8 м. Наличие переменного воздушного воздействия влияет и на режим движения воздуха как вблизи ограждений, так и вентпрослойке. В качестве иллюстрации на рис. 9.6 показана картина обтекания здания линейного типа в вертикальной плоскости с указанием эпюр скоростей, построенным по данным экспериментальных исследований Ф.Л. Серебровского. Как видно из представленной схемы, перед зданием и в заветренной области за ним возникают движения потоков, способствующих поступлению воздуха во входные отверстия защитного экрана теплоизоляции.

По результатам исследований аэродинамики потоков, омывающих здания, можно сделать вывод, что движение воздуха будет присутствовать вдоль всех фасадов. При этом различные фасады или участки фасадов будут находиться под разным давлением, избыточным или пониженным по отношению к атмосферному.
Анализ литературных источников и натурных исследований распределения температур по высоте прослоек «вентилируемых фасадов» косвенно указывают на сложный характер движения в них потоков воздуха. Возможны как образование циркуляционных колец, так и одновременное движение восходящих и нисходящих потоков воздуха на различных участках прослоек, учесть которые в расчётах сложно.
Поэтому для оценки развития статического давления в вентилируемой воздушной прослойке от ветрового воздействия, на испытательном стенде выполнены исследования на моделях зданий простой конфигурации.
Исследовались модели зданий с воздушной прослойкой на поверхности стен и без неё, модели с различными конструктивными решениями выхода воздуха из прослоек. В процессе проведения экспериментов определялось статическое давление на вертикальных поверхностях моделей. Для этого в местах выхода воздуха из воздушной прослойки размещены штуцера отбора, соединённые с микроманометрами. Отсчёты по приборам выполнялись фотосистемой.
Модели устанавливались на поворотной платформе, что позволяло ориентировать их по потоку воздуха. Исследования проводились при скорости воздуха v = 1,1...2,1 м/с. Некоторые результаты моделирования представлены на рис. 9.7. Величины статических давлений измерены у входных и выходных отверстий воздушных прослоек.

Исследования подтвердили зависимость развития статического давления в вентилируемых прослойках, как от скорости потока воздуха, так и от конфигурации модели. Указали на возможность опрокидывания потока воздуха в прослойках на заветренной стороне зданий. Кроме того, исследования показали, что величины статического давления воздуха зависят от конструктивного решения отверстий на входе в прослойку и выходе из неё.
Схема формировании аэродинамического режима в воздушной вентилируемой прослойке на поверхности стены здания для зимнего периода года (tв > tн) показана на рис. 9.8. Движение воздуха в прослойке вызвано одновременным действием гравитационного и ветрового давлений.

При воздействии ветра на здание помимо прямого ветрового потока возникают турбулентные потоки и завихрения воздуха. Вихри, имеющие высокую скорость, вызывают круговое восходящее движение воздуха и всасывающие струи вблизи здания.
На схеме вентилируемая прослойка толщиной «5» имеет два отверстия. Одно для входа воздуха площадью живого сечения «F1», а второе — для выхода, площадью живого сечения «F2». Отверстия расположены на двух уровнях на расстояниях «h1» и «h2» от осевой линии 0-0. Расстояние между отверстиями h0 = h1 + h2.
Различие в температурах воздуха по высоте прослойки вызывает появление гравитационного давления Pгр. Избыточное гравитационное давление в нижней части воздушной прослойки направлено внутрь, а в верхней, из прослойки - наружу.
При обдувании здания потоком воздуха у нижнего отверстия прослойки создаётся избыточное статической давление.

где C1 и C2 - аэродинамические коэффициенты, определяющие статическое давление у отверстий в долях от динамического давления прямолинейного ветрового потока;
vн - скорость ветра, м/с.
Внешнее давление, возникающее у прослойки, передаётся внутрь её, формируя внутренне давление, равное:

где Е1pv12/2 и E2pv22/2 — потери давления в отверстиях, Пa;
E1 и E2 - коэффициенты местных сопротивлений;
v1 и v2 — скорость ветра, м/с.
Разность между Pв1 и Pв2 представляет величину располагаемого давления, возникающего вследствие ветрового напора.

С учётом гравитационного давления, располагаемое давление прослойки равно

Определяется гравитационное давление в Па, по формуле

где рн — плотность наружного воздуха, кг/м3;
Аэродинамический режим вентилируемых прослоек

рвх - плотность наружного воздуха на входе в прослойку, кг/м3;
Рвых — плотность воздуха на выходе из прослойки, кг/м3.
Геометрические характеристики вентилируемых прослоек рассчитываются или только с учётом гравитационного давления, что соответствует худшим условиям их эксплуатации, или с учётом совместного гравитационного и ветрового давлений.
При отсутствии ветровой нагрузки на стены расчёт выполняется в следующей последовательности.
По формуле 9.6 определяется величина гравитационного давления. Затем по формуле 9.7 рассчитываются потери давления при движении воздуха в прослойке.

где Rh - потери давления на трение по высоте прослойки, Rh = Rl*h, Па;
Rl - удельные потери давления на трение, Па/м;
vпр - скорость воздуха в прослойке, м/с, определяемая по формуле

где Fж.с = b*b - площадь живого сечения прослойки, м2;
L - объёмный расход воздуха в прослойке, м3/ч.
Определение площади прослойки Fж.с, м2 при ширине b = 1 м выполнено, если APгр > ЕPП. При невыполнении условия APср > ЕРП, необходимо изменить толщину вентилируемой прослойки и повторить расчёт.
При учёте совместно ветрового и гравитационного давлений аэродинамический расчёт проводится в следующей последовательности.
По формуле 9.6 определяется гравитационное давление. Ветровое давление во входном и выходном отверстиях прослойки, рассчитываются по формулам (9.1) и (9.2), дополненным коэффициентами Kвх и Квых

где C1 и C2 - аэродинамические коэффициенты;
Kвх и Kвых — коэффициенты, учитывающие изменение скорости по высоте здания.
Располагаемое давление в прослойке равно

Потери давления при движении воздуха в прослойке рассчитываются по формуле 9.7.
Расчёт считается законченным при выполнении условия APР > ЕРП При невыполнении данного условия необходимо уточнить толщину вентилируемой прослоки, либо разбить вентилируемый фасад по высоте на зоны, имеющие входные и выходные отверстия и повторить расчёт до выполнения условия.
При учёте потерь давления на местные сопротивления и потерь на трение скорость воздуха в прослойке определяется по формуле

Экспериментальные и аналитические исследования вентилируемых прослоек, показали незначительность величин их располагаемого давления и обозначили необходимость учёта в расчётах как потерь давлений на местных сопротивлениях, так и на трение.
Представленные на рис. 9.9 графические зависимости потерь давления в прослойках толщиной bпр = 60 мм и 80 мм с учётом и без учёта потерь на трение, наглядно демонстрируют необходимость их определения.

Выполнение указанных расчётов осложняется отсутствием конкретных данных о величине удельных потерь на трение при движении воздуха вдоль плит из базальтовой минеральной ваты, а так же при движении воздуха в щелевых каналах переменного сечения, каковыми в большинстве случаев являются вентилируемые прослойки.
Для получения необходимых данных по удельным характеристикам потерь давления на трение проведены дополнительные экспериментальные исследования. Эксперименты выполнены на установке, схема и общий вид которой представлен на рис. 9.10.

Установка представляет собой участок вентилируемой воздушной прослойки с шириной канала для прохода воздуха b = 0,93 м, высотой l = 2,5 м и изменяющейся толщиной b = 20, 40, 60, 80 и 100 мм.
Исследования проводились на вентилируемых прослойках двух видов (рис. 9.11):
I - «гладкий канал» - одна поверхность образована минераловатными плитами, другая - гладкой поверхностью;
II - «канал профиль», или канал переменного сечения - одна поверхность образована минераловатными плитами, другая - листами металлического профиля. Толщина прослойки в данном случае определялась как размер в минимальном сечении.

По результатам экспериментов для каждого вида и толщины прослойки получены величины сопротивления потоку воздуха и рассчитаны значения удельных потерь на трение. Данные получены для двух режимов движения воздуха - нагнетание и отсос. Скорость воздуха в прослойке варьировалась в пределах до 0,8 м/с.
Результаты экспериментальных и аналитических исследований представлены в табл. 9.1.

Анализ результатов, представленных в виде простых линейных уравнений, указывает на зависимость удельных величин потерь на трение от геометрии прослойки, в основном, от её толщины.