Современные методы расчета ограждающих конструкций

Catalin Popa, Dan Ospira, Stphane Fohannoa, Cristian Chereches произвели численное моделирование свободно-конвективного движения в вентилируемых фасадах. В своей работе они использовали число Релея и учитывали влияние пограничного слоя. С помощью разработанной численной модели им удалось обнаружить и описать зоны рециркуляции, возникающие на входе и выходе вертикального канала [82].

Анализ литературных источников позволяет утверждать, что, несмотря на широкую применимость в строительстве навесных вентилируемых фасадов, размеры и конфигурация этих конструкций диктуется, в основном, архитектурно-эстетическими и технологическими мотивами. Так, не упорядочена система размеров конструкций, устройство подводящих и отводящих отверстий, расположение и густота крепления экранов, обработка поверхности экранов, не вполне ясна теплозащитная функция экрана, плохо изучены краевые эффекты;

Гидравлика и гидродинамика вертикальных вентилируемых прослоек представлена решениями частных задач. Общие решения и упорядоченные методики расчета интегральных (гидравлических) распределений термогравитационных движений, доведенные до нормативов, отсутствуют.

Поэтому, целью работы является разработка гидравлической модели вертикальной воздушной прослойки систем навесных вентилируемых фасадов в условия термогравитационной конвекции и усовершенствование конструкций НВФ. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

  • 1. Развить гидравлические методы расчета конструкций НВФ для определения характеристик потока в условиях термогравитационной конвекции (средней скорости, интенсивности теплопередачи, потерь напора, средней по расходу температуры) и оценить интенсивность переноса теплового потока, температуры и влаги при термогравитационной конвекции, построить пьезометрическую линию для воздушного потока в условиях термогравитационной конвекции в воздушной прослойке.
  • 2. Произвести численное моделирование плоского потока в условиях термогравитационной конвекции.
  • 3. Провести физическое моделирование термогравитационной конвекции в вертикальных воздушных прослойках с различными типоразмерами воздушных прослоек и различным конструктивным исполнением.
  • 4. Провести измерения параметров воздушного потока в натурных условиях на строительных объектах Санкт-Петербурга.
  • 5. Определить направления по практическому применению результатов для принятия оптимальных проектных решений и усовершенствованию существующих конструкций НВФ. Становление научных исследований гидравлики воздушных потоков Изучение термогравитационной конвекции началось в 19-20 веках в связи с задачами метеорологии. Первые работы по расчету воздушных потоков в атмосфере выполнены Экманом (вращающаяся координатная система) и Грасгофом (экспериментальное исследование обтекания пластин, вертикальных и наклонных). В честь этих исследователей названы числа подобия (Грасгофа и Экмана), используемые в гидроаэродинамике. Эти работы носили принципиально эмпирическое содержание, т.к. метеорология в 19 столетии представляла, по словам русского академика П.А. Вальдена, «рецептуру исключительно эмпирического происхождения, лишенную каких бы ни было элементов теории».

Прорывное, в принципиальном смысле, предположение делает Ж.В. Буссинеск, предложив в 1883 г. т.н. приближение Буссинеска. В этом постулате считается, что распределение давления по высоте воздушного столба при свободно-конвективном течении такое же, как и в условиях покоя, т.е. dp/p + gdz = 0 и градиент давления уравновешивается градиентом потенциала gz силы тяжести. Поэтому единственной массовой силой при термогравитационной конвекции остается архимедова плавучесть Эд.

Новый этап изучения термогравитационных течений обязан своим возникновением теории пограничного слоя и относится к 1920-1930 г.г. В этот период Эккерт публикует полную систему уравнений свободной конвекции, включая уравнения движения, энергии и условие неразрывности: duz/dz + duy/dy = 0, uzduz/dz + uyduz/dy = gQ + vd2uz/dy2, uzdQ/dz + uydQ/dy = v/ad2Q/dy2, (1) где z-вертикальная координата, у-поперечная координата. Эта система уравнений породила многочисленные исследования, из которых необходимо упомянуть работы самого Эккерта (численное интегрирование этой системы), работы минской школы А.В. Лыкова ( технические приложения свободно-конвективных течений), работы Гершуни и Жуховицкого в Пермском университете (решение полной системы Стокса для термогравитационной конвекции), и, наконец, работы Ю.А. Соковишина, Ю.Е. Карякина по асимптотическим методам, выполненные в конце 70-начале 80 годов прошлого века в ЛПИ им. Калинина. На этих последних работах следует остановиться особо. Они спровоцированы изданием в СССР работ Ван-Дайка, Найфэ и Саула Каплуна по асимптотическим разложениям решений ОДУ. Теория асимптотических разложений вызвала резкую критику авторитетных математиков (Г. Вейля, А. Кноппа). Справедливости ради необходимо отметить, что первое применение асимптотических рядов для решения систем, подобных эккертовской, применил Г. Блазиус (учитель Вейля и Кноппа по Геттингенскому университету). Полное обоснование методы асимптотических разложений получили в теории т.н. плоских рядов А.Д. Брюно и В.П. Варина (ИПМ РАН, после 2010 г.). Идея асимптотических разложений решений сводится к тому, что решение строится в виде: X = Х0 + flat zsimtktic term (2) где X - искомая функция, X0 - короткий левый фланг ее степенного ряда, в качестве правого фланга используется т.н. плоский ряд (расщепляющее разложение). Основная задача: найти радиус сходимости этого ряда и сшить асимптотику со степенным рядом на границе промежутка сходимости. Эта тауберовская проблематика частично решается в теореме Саула Каплуна, указывающей условия для аналитического продолжения внутрь круга сзодимости из flat asimtotic term и обратно, из круга на асимптотический фланг. Численное решение (суммирование рядов на ЭВМ) мало что дает: недавно опубликованные результаты диссертации Фаиза Ахмада это явственно демонстрируют.

Работы этого направления в СССР были свернуты после смерти Ю.А. Соковишина. Остается вне гидродинамического круга задач задачи гидравлического расчета. Гидравлические методы в теории тремогравитационной конвекции базируются на осреднении решений гидродинамических задач: решений Эккерта, результатов теории струй (Гримитлин), результатов измерений скорости и потоков в помещениях в условиях свободной конвекции. Совершенно независимо развивались методы расчета топочных устройств и котельных агрегатов, оформленные в виде всесоюзных норм котельных агрегатов и опубликованные во втором томе «Теплоэнергетического справочника». Основой расчета служит т.н. давление тяги, исчисляемое в приближении Буссинеска:

 
Оригинал текста доступен для загрузки на странице содержания
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >