Рис. 2. Включение области интерактивного освещения в структуру здания (варианты):
а — здания малой этажности; б — здания средней этажности; в — многоэтажные здания
ются нижние ярусы, витрины, переходы и пр. В соответствии с этим световые приборы и дополнительное оборудование устанавливаются в навесах, козырьках, простенках, элементах
остекления и т. д. Здесь целесообразно использование циклического принципа организации интерактивного взаимодействия, поскольку световое поле находится в прямой доступности для проходящих людей.
Если пространственные характеристики позволяют иметь достаточный резерв территории для восприятия издалека, размещение световой области допустимо и в вышележащих уровнях здания. Это также относится к многоэтажным объемам, которые в ряде случаев являются доминантами городского пространства. В данной ситуации предпочтителен выбор линейной схемы, при которой воздействие определяется внешними условиями и программным управлением режимом подсветки. Создавая акцентные световые объемы, важно помнить и соблюдать требования к качеству освещения, не искажать привычную для человека среду чрезмерной яркостью и частотой динамики подсветки.
В качестве вывода следует отметить, что решения с использованием интерактивного режима освещения начинают обращать на себя все большее внимание специалистов светодизайна, проектировщиков, ученых. Безусловно, они является одной из предпосылок развития «разумной», динамичной и универсальной архитектуры XXI века. Данная работа — попытка изучить механизмы этого новаторского явления, понять, какие критерии определяют практическое применение интеллектуальных систем освещения в архитектурном проектировании.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гусев, Н.М. Световая архитектура / Н.М. Гусев, 2. Щепетков, Н.И. Световой дизайн города /
В.Г. Макаревич.— М.: Стройиздат, 1973.— С. 160-163. Н.И. Щепетков. — М.: Архитектура-С, 2006.— С. 161.
удк 532 (075.8)
М.Р. Петриченко, М.В.Петроченко
ДОСТАТОЧНЫЕ УСЛОВИЯ СУЩЕСТВОВАНИЯ СВОБОДНОКОНВЕКТИВНОГО ТЕЧЕНИЯ В ВЕРТИКАЛЬНОМ ЩЕЛЕВОМ КАНАЛЕ
Восходящее течение воздуха в щелевых ка- можно назвать навесные фасадные системы
налах с параллельными стенками встречается во с вентилируемым воздушным зазором, кирпич-
многих ограждающих строительных конструк- ные стены с вентилируемыми воздушными про-
циях. В качестве примеров таких конструкций слойками, экранная тепло-влагозащита железо-
бетонных башенных градирен и др. Конструкции с вентилируемой воздушной прослойкой широко применяются в строительной практике. Опыт показывает, что вследствие применения воздушных прослоек в ограждающих конструкциях зданий и сооружений значительно повышаются эксплуатационных свойства и долговечность материалов самой конструкции. Расчет параметров течения воздуха в вертикальных каналах с вентилируемой воздушной прослойкой (зазором) весьма важен для практики.
Течение воздуха в вертикальном вентилируемом канале — свободноконвективное. Свободная конвекция, возникающая в поле силы тяжести, обусловлена существованием отрицательного градиента плотности воздуха, связанного с градиентом температуры (что отражается уравнением состояния и энергии или условием баротропности). Свободная конвекция — один из наиболее экономичных и практичных методов удаления влаги из воздушного зазора. Если температура поверхности выше температуры окружающей среды, то поток воздуха, омывающего поверхность, нагревается и, становясь более легким, начинает всплывать. В этом случае менее плотные соседние слои воздуха замещают поднявшийся слой. Этот принцип замещения слоев воздуха используется при проектировании воздушных прослоек. При охлаждении нагретого тела окружающим воздухом такое течение наблюдается в области, вокруг этого тела.
Свободноконвективное течение в виде восходящего потока воздуха может быть ламинарным или турбулентным. Числа Релея, определяющие переход от ламинарного режима к турбулентному свободноконвективному течению, различны для вертикальной пластины и призматического (плоского) канала, образованного двумя параллельными поверхностями.
Пусть свободноконвективное течение (СКТ) осуществляется в вертикальном канале — прямоугольнике П = (у, г:0 < у < к; 0 < г < Ь), Н ^ Ь (рис. 1). Контрольный объем выделен на рис. 1 пунктиром.
Он охватывает канал (вертикальная щель) и простирается снизу от нулевой отметки до плоскости г = Ь, проходящей несколько выше выходного среза канала в неподвижном воздухе.
у= Ь
у= 0
///////
Рис. 1. Схема обогреваемого щелевого вертикального канала
Предполагается, что втекание в канал П — безударное, вход в канал воздуха — продольный, вертикальный, безударный, для этого — одна из стенок канала (на рис. 1 — правая) несколько вынесена вверх. Выход из щели — свободный, в атмосферу. Потери напора на выход можно оценить по формуле Борда. Потери напора по длине известны (или допускают правдоподобную оценку). Для такого канала с небольшой погрешностью можно оценить коэффициент
скорости по формуле ф= ,—где X — ко-
1 + Х Ь Н
эффициент гидравлического трения (число Дарси). Правая грань (у = к) охлаждена и поддерживается при температуре Т, меньшей, чем температура Тн левой грани (у = 0). Известна интегральная интенсивность теплообмена (число Стентона между свободно-конвективным потоком и стенками щели. Давление на отметке г = 0 равно р0, давление на отметке г = Ь равно р1, причем р0 > р1. Требуется оценить среднюю скорость в свободно-конвективном течении. Под Т далее понимается температура потока (средняя или средняя по энтальпии). Решение основано на следующих предпосылках:
1. В адиабатной щели СКТ отсутствует. Значит, если считать движение баротропным и заменить условие теплообмена (дифференциаль-
г
к
у
к
0,1
А В
сти переменных
п, т =1
V р.
(рис. 2).
ты обеспечивает монотонный рост температуры газа по длине канала. Такая ситуация характерна для обогреваемых каналов, например для воздуховода фасада.
Итак, утверждается, что
Vп := =е (0, 1), Уп < к, Р0
к -1
к-1 1 -п к
п -1
п-1
1 -п
т = 1/р
Рис. 2. Техническая работа расширение газа в канале
ное уравнение энергии) голономным условием баротропности, то V = 0, п = к.
2. Расширение газа в СКТ происходит при п < к; если 1 < п < к, то расширение газа с подводом теплоты сопровождается его охлаждением. СКТ — неустойчивое. Если же 0 < п < 1, под -вод теплоты столь интенсивен, что температура газа по длине щели растет, СКТ устойчиво по всей длине (высоте) щели.
3. Обобщая: если равновесному состоянию газа в вертикальном канале отвечает показатель политропы п = пех > 0, то при всяком значении 0 < п < пех существует СКТ.
Действительно, расширение газа в СКТ изображается траекторией (политропой) на плоско-
причем
п ^ 1;
Если п < 1, то
п -1
п -1
п-1
п-1 1 -п п
^ 1п-. п
/
1 -п п
1 - п
1-п
1
ЧпУ
-1
V
4. В условиях адиабатного равновесия столба газа в щели уравнение равновесия (уравнение Эйлера) имеет вид
Г л \ dp
+ 8 = 0,
(1)
V к
где индекс 5 подчеркивает адиабатность статического состояния газа.
При наличии подвода теплоты уравнение равномерного движения имеет вид
Площадь между осью т = 0 и политропой изображает так называемую «техническую работу» расширения. Если п = к, то работа недостаточна для перемещения (подъема) газа в вертикальной щели и превращается в потенциальную энергию покоящегося столба газа. Если п < к, возникает профицит работы, реализуемый в кинетической энергии потока газа. Чем больше разность к — п, тем больше профицит и выше средняя скорость в СКТ. В условиях СКТ возможны оба неравенства. Если 1 < п < к, то расширение газа при СКТ сопровождается его охлаждением, как, например, при движении в печной трубе (подвод теплоты от топочного пространства недостаточен для расширения с увеличением температуры по длине дымохода). Если 0 < п < 1, подвод тепло-
Гл ^^ dp
V н Л
8 dz + 8 = 0.
(2)
Здесь индекс п отмечает баротропность подвода теплоты при СКТ. Можно представить себе, что подвод теплоты, создающий мощность подъемной (архимедовой) силы, заменяется «распределенным по высоте щели насосом» (источником механической мощности), перемещающим воздух в щели адиабатно. Тогда
г л \ dp
V к у 5
+ 8 + 8 dhf = dhp
(3)
где кр — напор «насоса», создающего адиабатный поток, эквивалентный по средней скорости СКТ в обогреваемом канале.
Формула (3) допускает простую интерпретацию: если перемещение «холодного» газа в ка-
п
нале снизу вверх осуществляется насосом (вентилятором), то напор насоса (вентилятора) должен обеспечивать подъем газа и компенсировать потери напора. Из (3) и (1) получается ОНр = . При этом
8Н/ =
1 1 11 ^ ^
1 + 1— I— =
Н) 2 2ф2
Л2 к - п Л2
2 пк Следовательно,
1 -1 пк
р = фЛЛ/1 -— при 0 < п <к, (4) п к
или
где ф:
1 + 1
Ь Н
г < 1 — коэффициент скорости.
V = ф
1 -1 п к
(5)
В силу (1), (2)
^ А \
ар ] ( ар
Р )п
ЧУ) з
-я ОН, = 0.
Тогда
п -1
п-1
1 -я
к -1
или
п -1
п -1
1 -
' п-1
1 -я п
' к-1
1 -я к
яЬ
2ф2Я70
к М)
1 - к-1 Л1 п (к-1)
-Л =
Р2
2ф2
Р = ^: Л = -
0
ЯТг
0
причем в реальных технических устройствах Л<<1. Для дальнейшего достаточно, чтобы к
Л<-.
к -1
5. Применение формулы бинома упрощает определение средней скорости. Действительно:
п -1
к (п-1) 1 - к-1 Л1 п(-)
-Л =
/ /
п -1
1 -
1 п -1
1--Л-
п
'к - г2
V V
Л2 к (п -1) (п - к) '~2 п (к -1) п (к -1)'
■ о (л3 ))]
))
-Л =
Очевидно, что Р ^ фЛ/ ——1 и Р ^ ^.
пV к п^о
Формула (5) решает поставленную задачу. Она приводит к правдоподобным оценкам средней скорости течения в выходном сечении щели. Например, пусть к = 1,4; п = 1,3; Т0 = 300 К; ф = = 0,6; Ь = 100 м. Тогда в силу (5) V=0,48 м/с. График функции V = v(n) для этих условий к > п > 0 приведен на рис. 3. Уменьшение п до значения 0,9 (увеличение интенсивности теплообмена на горячей грани) при прочих неизменных данных увеличивает скорость до 1,29 м/с.
6. Показатель политропы п связан с интенсивностью теплопередачи в СКТ тождеством
= 51(ТН-Т), С = -к (п -1) У Н } Н
(6)
причем Т — температура потока в щели. Значит,
к( -1)
п = -'-: s = 81-
зк -1
ОС
3 = —< 1. (7)
О1п
1 -3
V, м/с 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Рис. 3. Влияние теплообмена (показателя политропы п) на среднюю скорость СКТ в щели
1
Н
Очевидно: 1 < п < к, если 5 < 0, т. е. в случае убывания температуры по длине щели. Если же 0 < п < 1, то 5 > 1, т. е. в случае увеличения температуры по длине щели. График зависимости п = п(5) приведен на рис. 4.
Полученное тождество демонстрирует связь показателя политропы п с интенсивностью переноса теплоты на горячей грани канала. Если распределение температуры по высоте (длине) потока в СКТ известно, то известно и значение (локальное) показателя п политропы. Поэтому понятно, что условие баротропности течения заменяет дифференциальное уравнение передачи теплоты потоку, на что указывал К.И. Стра-хович [1].
Политропное распределение температуры по длине канала имеет вид
п-1
т = п
=11 -к-1;
к п-1 к-1 п
=1-п-1; =
1 п -1 ^ 7 , п -1 _
= 1---2--= 1--шг,
п ВТ* Н п
где
, г=г, т=Т, , 0<с<л.
ятп
Тогда
h Т0 ЯТ0
п=
1
1
л dт , Л dT'
1 + — 1 +--—
gh d г
(8)
Значит, если за счет подвода теплоты от горячей грани температура потока растет по длине канала (положительная теплоемкость процесса), то п < 1; для убывающей по длине температуры потока п > 1. Для постоянной температуры п = 0.
Выражение (8) иллюстрирует голономность условия баротропности. В силу условия теплопередачи
%=а( - т),
(9)
где 81 — безразмерный коэффициент теплоотдачи (число Стантона). Тогда (8) принимает вид
1
1 + М ( - Т)
(10)
gh
При этом равномерно по г должно выполняться условие 81 (Ть - Т) ^ 0. Тогда п ^ 1 ± 0.
4 7 81 ^ 81 ^ Для вычисления разности в дроби (10) необходимо решить уравнение теплопередачи (9). Пусть начальное условие для (9) имеет вид Т = = Т0. Тогда при постоянных Тк и 81 знак разности Тк — Т постоянен. Поэтому либо п>1, либо п<1. Решение задачи Коши для (9):
Т = Т0 ехр (--В (г)) + ехр (--В (г ))х
г
х Т (х )St (х )ехр (В (х )) 0
где
п
к
1
--
1 к 1 5
Рис. 4. График зависимости показателя политропы п от интенсивности теплопередачи в СКТ
г Н В
В (г) = |81(х )Нх > 0; В (0) = 0; 81(г) = . 0 Н г
Значит,
Тн (г)-Т(г) = Тк -Т0ехр(-В(г))-
г
- ехр (-В (г)) Т (х)81 (х)ехр (В (х))с1х; (11)
п=
Я 81
1 + ^(Л ) Л = Тн (г) - Т0 ехр (-В (г)) - ехр (-В (г)) >
п
0
1
Строительство -►
x \Th (x)St(x)exp(B(x))dx.
0
Формула (11) уточняет (7). В ряде случаев формула (11) допускает упрощения:
а) например, пусть St = const. Значит, B (z ) = St z, T (z ) = Toexp (-St z ) +
z
+ StJ" Th (z - x) exp (-St x)dx.
0
Но
Th (z -x) = exP| -xd= |Th (z).
Поэтому
1 d
T (z) = To exp (-St z) + \l + Th (z) =
= To exp(-Stz) + Th (z)-+ O(^).
Тогда выражение (11) для показателя политропы п принимает вид
1
1 +
R St gh
1 dTh 1 dT
у
St dz St2 dz2
+...-T0exp(-St z)
Выражение (12) при условии, что
dz
(12)
< St,
моделирует ситуацию с постоянной плотностью теплового потока на горячей грани. Знак разности в знаменателе (12) не определен, и уравнение п = 1 может иметь корень.
б) Еще один предельный случай отвечает постоянной вдоль длины температуре горячей грани. Ему соответствует равенство
Тн-Т = ((-То )ехр (-В (г )). Поэтому
п =
1
1 + RSt (Th - To )exp(-B(z))'
(13)
gh
n=
1
1 + Rht (Th-To )exp (-St z )
(14)
Формула (13) свидетельствует, что в канале с изотермической горячей гранью показатель политропы всегда удовлетворяет неравенству n > 1.
Таким образом, чтобы рассчитать среднюю скорость в щели, необходимо в первом приближении оценить значение n. Например, можно взять n = 1. Затем определяют среднюю скорость по формуле (5), с помощью тех или иных эмпирических зависимостей [2] вычисляют коэффициент теплообмена (теплопередачи) и уточняют значение показателя политропы. И т. д. до сходимости.
7. Существует еще одно простое соображение, касающееся оценки показателя политропы. Массовая скорость СКТ, w = pv, постоянна по высоте щели. Значит, в силу (1) и условия неразрывности (w = pv = p0v0 = const) будет
Po = яп Р = фЛ.1— — | 1 -
1 -1 n к
k -1 Л]п(к-1). (15)
Из (15) очевидно, что скорость по высоте щели
1 Л
увеличивается незначительно, примерно в 1 +—
п
раз. Во столько же раз уменьшается плотность по высоте щели. Для стометровой щели в условиях рассмотренного примера Л = 0,012, и, соответственно, изменение скорости по высоте щели составляет порядка 1 %. На самом деле, вертикальный градиент скорости мал (0,01 % на метр высоты щели), и допущение о плавном изменении течения по средней скорости вполне оправдано. Из формулы (6) легко получить, что максимальное значение массовой скорости в канале (канал «гидравлически наивыгоднейшей длины») достигается, если
Л1 к--1+1 ] = 1, к п)
1 1 к -1
т. е. — =---; п =
п Л к
Л
1-к-1л
=Л + O
(Л2) •
в) Если постоянны и теплоотдача от горячей грани, и температура горячей грани, то формула (13) превращается в формулу Ньютона:
Очевидно, для реальных размеров щелей (порядка 100 м) величина Л<< 1, и зависимость показателя политропы от длины «гидравлически
к
1
п =
d
наивыгоднейшей» щели практически линейная (рис. 5, б). В реальных технических устройствах
Л<<1, поэтому п =Л + О (л2) . Получается: чем
меньше высота канала, тем более интенсивная передача теплоты необходима для достижения наибольшей массовой скорости. При этом, как правило, 0<п<1.
Следовательно, достаточное условие существования СКТ в вертикальной щели имеет вид: п<п, где пе — значение показателя политропы, отвечающее состоянию равновесия вертикального столба газа. Значение показателя политро-
пы п в равномерном и баротропном СКТ практически пропорционально длине канала. Иначе: чем короче канал, тем больше должна быть величина теплового потока, создающего вертикальную тягу, и наоборот.
Усиление достаточного (слабого) условия существования СКТ до необходимого и достаточного связано с изучением «тонкой» структуры потока [3]. В этом случае вместо грубого голономного условия баротропности необходимо решать дифференциальное уравнение теплопередачи, т. е. точно реализовывать схему, намеченную в пункте 7.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Страхович, К.И. К вопросу об одноразмерном установившемся движении газа в трубах [Текст] / К.И. Страхович // ПММ. 1933.— Т. 1. №1.— С. 47—50. (Цит. по: К.И. Страхович. Гидро-газодинамика.— М.: Наука, 1980. С. 102—105.)
2. Соковишин, Ю.А. Свободно-конвективный теплообмен [Текст]: Справочник. Ю.А. Соковишин,
О.Г. Мартыненко.— Минск: Наука и техника, 1982.— 400 с.
3. Чумаков, Ю.С. Экспериментальное исследование свободноконвективных течений около вертикальной поверхности [Текст] / Ю.С. Чумаков // Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского политехнического университета.— 2004. № 2 (36).— С. 103—116.
удк 621.21.9
В.А. Мишаков, Л.Н. Синяков, В.А. Соколов, Д.А. Страхов
ИНЖЕНЕРНО-ДИАГНОСТИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ СТРОИТЕЛЬНЫХ ОБЪЕКТОВ СЕВЕРО-ЗАПАДНОЙ ТЭЦ
На протяжении нескольких лет специалисты инженерно-строительного факультета СПбГПУ совместно с сотрудниками ООО «НПСФ Спец-СтройСервис» проводили работы по диагностике технического состояния зданий и сооружений промплощадки Северо-Западной ТЭЦ (СЗ ТЭЦ) в г. Санкт-Петербурге. Высокая значимость этих объектов всегда накладывала на организацию и проведение обследований повышенные требования. Это было особенно актуально тогда, когда в процессе длительной эксплуатации в конструктивных элементах зданий и сооружений стали проявляться различные повреждения. Для таких объектов при выполнении обследований следовало разработать мероприятия по проведению всех работ без остановки технологического
цикла, т. е. в условиях их непрекращающейся эксплуатации. Кроме того, весь комплекс работ должен был выполняться в рамках нормативных требований, соответствующих уровню детального инструментального обследования [1, 2].
На некоторых объектах одним из решающих этапов, позволивших с уверенностью установить первопричины образовавшихся повреждений, оказалась серия поверочных расчетов для принятия научно обоснованных решений по приведению этих объектов в нормальное эксплуатационное состояние. В ряде случаев потребовалось провести многовариантный численный эксперимент, согласованный с измерениями на натуре, причем без нарушения режима функционирования здания.