Основы аэродинамики в вентиляции или почему сильный ветер выворачивает зонтики, а ураган срывает крыши
методическая разработка

Основы аэродинамики в вентиляции или почему сильный ветер выворачивает зонтики  а ураган срывает крыши

Автор Прусов Артем. Шитухин Максим

Руководитель Стрункина Елена Михайловна . Преподаватель.

Цель проекта:  Мы являемся учащиеся  Щелковского колледжа по специальности   15.02.13  «Техническое обслуживание и ремонт систем вентиляции и кондиционирования» , второй курс группа 4116.  На предмете  Основы гидравлики, теплотехника и аэродинамика  мы изучаем законы, которым  подчиняется воздух  или газ в вентиляционных каналах. Нам в будущем придется укрощать воздушную стихию и заставлять  её работать для создания комфортных условий в любых помещениях.  Как оказалось это не очень простая задача. В начале надо изучить физические законы , которым подчиняется воздух, так как расчет вентиляционных систем основывается на ряде законов гидравлики и аэродинамики.   По  этим  законам воздух движется не только в воздуховодах, но и в атмосфере Земли. В курсе этого предмета   произошло знакомство с   удивительными законами такими  как  «Понятие расхода»,«Уравнение непрерывности потока, «Закон  и уравнение Бернулли». Изучив их можно увидеть причину таких явлений, когда сильный ветер выворачивает зонтик , а ураган срывает крыши. Поэтому совместно с преподавателем этой дисциплины решили подготовить доклад  по  направлению Аэродинамика и гидрометеорология точки соприкосновения.

Определения предмета и объекта исследования.        (слайд №2)

   Аэродинамика вентиляции — это раздел аэродинамики, который изучает движение воздушных масс внутри  вентиляционных каналов. При проектировании систем вентиляции учитываются очень многие параметры: площадь поперечного сечения воздуховода, высота строения (длина вентиляционного канала), количество участков, где происходит потеря давления, степень трения воздуха о стенки канала вентиляции и иные факторы, влияющие на движение воздуха. При входе в воздуховод или в канал и выходе из них, а также в местах установки регулирующих устройств (дросселей, шиберов, диафрагм) наблюдается падение давления в потоке перемещающегося воздуха.  В идеале надо    добиться ламинарного движения воздушного потока .[ 1]

Но на практике получается так, что любое изменение сечения  (расширение в диффузоре, сужение в конфузоре),   неминуемо приводит к потере давления и дальнейшему турбулентному движению воздуха.

Турбулентным называется движение воздуха  с перемешиванием потоков, имеющих различные скорости. А это сопровождается избыточным шумом вентиляции и нарушением качества ее работы, то есть  образования небольших ураганов в вентиляционных каналах. Все это напоминает повеление атмосферы Земли в целом.                                                                                                                                                                      На поток движения воздуха в системе вентиляции  влияют так же  различные начальные параметры атмосферы (температура, влажность, давление и т.д). [ 2]

Считается, что идеальную вентиляцию не возможно создать. Но максимально приблизиться к ней можно: в расчет берутся все наблюдения за погодой на протяжении последних десятилетий, чтобы определить преобладающее давление в данной местности и среднегодичный температурный режим. При таком подходе вентиляция будет максимально эффективно спроектирована именно для данной местности.

Разобраться в этих сложных процессах нам помогут физические законы. Это - расчет расхода  жидкости или газа , уравнение непрерывности потока , закон  и  уравнение Бернулли. При изучении дисциплины « Основы гидравлика, теплотехники и аэродинамики»  для решении задач на эти законы , нами используется  компьютерная программа  разработанная в стенах нашего учебного заведения  на платформе MICROSOFT . NET FRAMEWORK 4.6 на языке С#. (слайд №3)

Она  позволяет  проверить   работу каждого обучающегося, за короткий промежуток времени,

дисциплинирует и усиливает интерес к изучаемой теме. На   слайде №4 показано окно этой программы. С помощью такого калькулятора можно подставляя различные данные, например : диаметр трубопровода или воздуховода, объемный расход жидкости или воздуха, скорость потока., быстро рассчитать площадь сечения, скорость потока и диаметр другого участка трубы переменного сечения.

Как меняется сечение  трубы  видно на слайде 5. Здесь подробно изучаем уравнения непрерывности потока  и его Практическое применение, которое  заключается в том, что по двум скоростям и одному сечению (диаметру) можно определить другое сечение (диаметр) или по двум сечениям (диаметрам)  и одной скорости определить другую скорость.

 Уравнения неразрывности потока  выведено на основании закона сохранения массы и невозможности разрыва потока жидкости или газа и образования в них пустот. При уменьшении диаметра сечения трубопровода или воздуховода, скорость потока увеличивается.

В основном докладе приведены примеры расчетов  и дана

ссылка на компьютерную программу и сайт руководителя проекта :

https://nsportal.ru/strunkina-elena-mihaylovna    https://nsportal.ru/npo-spo/estestvennye-nauki/library/2022/02/19/metodicheskaya-razrabotka-kalkulyator-dlya-rascheta                                                                                         Программа авторская находится в свободном доступе.

Расчет уравнения непрерывности потока.

Для понимания уравнения непрерывности потока  мы можем рассмотреть как течет река Клязьма в черте нашего города. В районе городской набережной  река разливается  и имеет широкое русло,   здесь она течет медленно почти незаметно. Под мостом  русло становиться уже и вода течет быстрее. Как на слайде №5

    Теперь попробуем ответить  на вопрос поставленный в начале нашего доклада  «почему сильный ветер выворачивает зонтики, а ураган срывает крыши?»    Слайд № 6

Ответ на этот вопрос дает уравнение Бернулли выведенное, на основании закона Бернулли.  Мы его изучаем в разделе  Основные законы  аэродинамики.  Это один из таких законов, который  постоянно работает вокруг нас. Сам по себе закон выступает как следствие принципа сохранения энергии

Из закона Бернулли следует, что при уменьшении сечения потока, из-за возрастания скорости, то есть динамического давления-  статическое давление падает. Это является основной причиной эффекта Магнуса. Закон Бернулли справедлив не только для жидкостей но и для ламинарных потоков газа, поэтому он лежит в основе аэродинамического расчета воздуховодов. Явление понижения давления при увеличении скорости потока лежит в основе работы различного рода расходомеров, например: труба Вентури, водо- и пароструйных насосов.

Но самое большое значение закон Бернулли имеет для авиации. Изогнутая форма крыла самолета обеспечивает разность скоростей сверху и снизу от крыла, в результате чего, согласно этого  закона давление воздуха над крылом становится меньше давления воздуха под крылом и самолет поднимается вверх.

Уравнение Бернулли имеет вид . (формула 9)

 (формула 9)

где;  ρ- плотность  кг/м3

ν скорость м/сек

Р — давление Па

                                                                                                                                                                                       При уменьшении сечения потока из-за возрастания скорости давление падает.  Вот это и есть принцип Бернулли, который устанавливает зависимость между давлением в потоке жидкости или газа и скоростью движения такого потока. Это применимо и для движения жидкости или газа протекающих в трубах и  в вентиляционных каналах. Давление  выше там, где скорость движения меньше и наоборот, там где скорость больше, давление меньше.

Из уравнения видно,  например,  если скорость ν  увеличивается, то увеличивается первое слагаемое, значит, чтобы равенство выполнялось, на такую же величину второе слагаемое должно уменьшается, т.е. уменьшается давление.

Для подтверждения достаточно провести простейший опыт. Надо взять лист бумаги и подуть вдоль него. На слайде № 7 Мы видим как студент дует  между на листами  бумаги. Кажется, что листы должен под напором воздуха разлететься в стороны , но листы притягиваются друг к другу. Все очень просто. Как говорит закон   Бернулли, там, где скорость выше,  давление меньше. Значит, вдоль  поверхности между листами, где проходит поток давление  меньше, а а снаружи листа, где потока воздуха нет, давление больше. Вот листы и изгибаются внутрь в ту сторону, где давление меньше, т.е. туда, где проходит поток воздуха.

Вывод: Чем больше скорость потока жидкости или газа, тем меньше их давление

Эффект Бернулли - это то, благодаря чему птицы и самолеты могут летать. Разрез крыла у них практически одинаковый: за счет сложной формы крыла создается разница обтекающих его сверху и снизу воздушных потоков, что позволяет телу подниматься вверх.   
По этой причине ураган срывает крыши домов.  Давление над крышей, где скорость ветра большая, много меньше чем под крышей, где скорость равна практически нулю. Разность давлений создает подъемную силу, которая и срывает крышу, так же плохо приходится зонтикам  при сильном ветре. Этот эффект учитывается при расчете высоты вентиляционной трубы над крышей для вытяжной вентиляции. Срез вентиляционного и дымового канала должен находиться на уровне самых быстрых воздушных потоков. Чем выше скорость воздуха, тем сильнее тяга.

Работая с преподавателем над этим докладом мы научились анализировать физические законы и  замечать явления в окружающем мире, которые происходят благодаря этим законам.