Конвективні потоки, теплові струменя - припливні струмені природного або механічної вентиляції

Теплові струменя, так само як і припливні струмені природного або механічної вентиляції. є основними факторами, що визначають циркуляцію повітря в виробничих приміщеннях, розподіл тепла і концентрацій парів, газів і пилу.

Рух повітря, що виникає внаслідок різниці щільності нагрітих і холодних частинок, називають вільним.

При зіткненні з нагрітою поверхнею повітря нагрівається і стає легше. Внаслідок різниці щільності нагрітих і холодних частинок повітря виникає підйомна сила, під дією якої нагріті частинки піднімаються; на їх місце надходять нові частинки - холодні, які також нагріваються і піднімаються. Таким чином, утворюється висхідний тепловий потік, який визначається наявністю теплообміну у нагрітої поверхні.

Чим більше передається тепла, тим інтенсивніше рух повітря. Так як кількість переданого тепла пропорційно різниці температур і площі нагрітої поверхні, то і вільний рух повітря визначаєте ^ саме цими факторами. Температурним напором визначається різниця щільності і, отже, підйомна сила, а площею поверхні - зона поширення процесу.

Рух повітря на різних рівнях вертикальної нагрітої стінки відбувається по-різному (IX. 15). У нижній її частині повітря стелиться по поверхні товщають шаром - ламінарний рух, вище з'являються завитки ( «локони»), що біжать уздовж поверхні, - локонообразное рух, і, нарешті, у верхній частині стінки «локони» відриваються і у вигляді вихорів поширюються в навколишньому середовищі - турбулентний рух.

Рух повітря близько горизонтальних нагрітих поверхонь відрізняється значною складністю і залежить від положення плити і її розмірів. Коли нагріта поверхня звернена вгору, рух відбувається за схемою IX. 16, а. Якщо ж при цьому плита має великі розміри, то внаслідок налипання з країв суцільного потоку нагрітого повітря центральна частина плити виявляється ізольованою і повітря до неї буде підтікати тільки зверху (IX. 16, б). Коли нагріта поверхня звернена вниз, рух повітря відбувається за схемою IX.16, в. В цьому випадку по нагрітої поверхні рухається лише тонкий шар повітря, що заміщається зустрічним потоком, розташованим нижче.

Конвективні струменя вивчали багато дослідників: Я. Б. Зельдович, Л. Прандтль, О. Г. Саттон, Б. Шмідт, Г. Н. Абрамович, В. М. Ель-Termal, І. А. Шепелєв та ін.

На основі цих досліджень можна уявити схему теплової струменя, що виникає над нагрітим горизонтальним джерелом, зверненим вгору (IX. 17).

За даною схемою в тепловій струмені можна виділити чотири зони: / - прикордонний шар, що складається з ламінарного підшару, розташованого безпосередньо біля поверхні нагрітої пластини, і основного прикордонного шару; II- розгінний ділянку; III - перехідний ділянку; IV - основна ділянка.

У прикордонному ламинарном подслое рух повітря відбувається уздовж поверхні; вертикальна складова швидкості незначна. Тепло від нагрітої пластини передається повітрю шляхом теплопровідності, і тому тут спостерігається значний перепад температур.

В межах основного прикордонного шару може бути ламинарное або турбулентний рух повітря в залежності від величини твору критеріїв Грасгофа і Прандтля. При Gr Рг ^ ИО6 спостерігається розвинене турбулентний рух.

Нагріте повітря з прикордонного шару піднімається над гарячою пластиною окремими цівками, а на його місце опускається холодне повітря. Товщина прикордонного шару дорівнює приблизно 0,2 * 1 Інтенсивність підтікання повітря в прикордонному шарі більше, ніж в вищерозміщеної частини струменя (на одиницю висоти струменя).

У розгінній ділянці в основному проявляються архимедови сили, і під їх дією швидкість руху повітря безперервно зростає, статичний тиск зменшується, що і призводить до зменшення се

чення струменя. В кінці розгінної ділянки струмінь має найменше перетин. Це перетин називають перехідним або стислим. Стислий перетин знаходиться на відстані приблизно 2d від полюса струменя.

Максимальна осьова швидкість струменя спостерігається дещо вищий кінця розгінної ділянки. В межах цієї частини струменя, а також в усіх наступних її частини відбувається підмішування до неї навколишнього повітря, який надає гальмівну дію на швидкість її підйому.

У перехідному ділянці відбувається перетворення початкових поперечних профілів швидкостей і надлишкових температур в профілі, характерні для основної ділянки.

У всіх перетинах основної ділянки спостерігається подібність поперечних профілів швидкостей і надлишкових температур.

У перехідному і основному ділянках разом з підйомними силами діють і сили турбулентної в'язкості, під дією яких струмінь безперервно розширюється. Кут бокового розширення струменя а може бути прийнятий як і для припливних вільних струменів без примусового розширення рівним 12 ° 25 '.

На формування теплових струменів великий вплив мають умови підтікання повітря в зоні /. Наприклад, якщо підняти пластину і помістити її на підставу, то умови підтікання повітря до нагрітої поверхні будуть іншими, ніж для пластини, закріпленої врівень з площиною, і закономірності розвитку теплової струменя над таким джерелом виявляться дещо іншими.

В теплової струмені кількість руху секундної маси повітря по висоті не залишається постійним, а змінюється в зв'язку з появою підйомної сили.

Розрахункові залежності для теплових струменів з досліджень В. М. Ельтермана і І. А. Шепелєва наводяться в їх роботах [59 та ін.].