CC BY
16
УДК 693.5:536.24+532.51
ГНЫРЯ АЛЕКСЕЙ ИГНАТЬЕВИЧ, докт. техн. наук, профессор, tsp_tgasu@mail.ru
КОРОБКОВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ, канд. техн. наук, доцент, korobkov@hotmail.rи
БОЯРИНЦЕВ АЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧ, доцент, plus2001@rambler.ru
МОКШИН ДМИТРИЙ ИЛЬИЧ, аспирант, mokshin@sibmail. сот
Томский государственный архитектурно-строительный университет, 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛООБМЕНА ТАНДЕМА МОДЕЛЕЙ ЗДАНИЙ ПРИ ЛИНЕЙНОМ РАСПОЛОЖЕНИИ*
Приведены результаты цикла экспериментальных исследований среднего коэффициента теплоотдачи моделей зданий на специальном аэродинамическом стенде, включающем в себя дозвуковую аэродинамическую трубу, исследуемые тепловые модели, устройства для задания тепловых граничных условий, измерительные термодатчики и аппаратуру для регистрации их показаний. В статье представлены графики изменения среднего коэффициента теплоотдачи моделей зданий и сооружений при фиксированном числе Рейнольдса Re = 4,25-104 и угле атаки воздушного потока ф = 0°.
Ключевые слова: средний коэффициент теплоотдачи; число Рейнольдса; угол атаки воздушного потока; внешний теплообмен; физическое моделирование.
ALEKSEI I. GNYRYA, DSc, Professor, tsp_tgasu@mail.ru
SERGEI V. KOROBKOV, PhD, A/Professor, korobkov@hotmail.ru
ALEKSANDR P. BOYARINTSEV, A/Professor,
plus2001@rambler.ru
DMITRII I. MOKSHIN, Research Assistant,
mokshin@sibmail.com
Tomsk State University of Architecture and Building, 2, Solyanaya Sq., 634003, Tomsk, Russia
HEAT TRANSFER IN BUILDING MODELS AT TANDEM LINEAR ARRANGEMENT
The paper presents the pilot study results on the average heat-transfer coefficient for building models arranged on a specialized aerodynamic test bench comprising a subsonic wind tunnel, thermal models and devices for giving thermal boundary conditions, heat sensors and
* Исследования выполнены при финансовой поддержке работ по гранту РФФИ (проект № 13-08-00505а).
© А.И. Гныря, С.В. Коробков, А.П. Бояринцев, Д.И. Мокшин, 2014
measuring equipment. A change of the average heat-transfer coefficient of the building models is shown on the diagrams at a fixed Reynolds number and the airflow angle of attack.
Keywords: average heat-transfer coefficient; Reynolds number; airflow angle of attack; external heat exchange; physical simulation.
На кафедре технологии строительного производства ТГАСУ проводятся исследования структуры течения воздушного потока [1, 2], расчеты динамических величин [3, 4], а также расчеты локального и среднего коэффициентов теплоотдачи [5-15] для уточнения технологии проектирования с целью повышения энергоэффективности ограждающих конструкций зданий.
В исследованиях, посвященных изучению теплообмена плохообтекаемых тел как зарубежных, так и отечественных авторов, таких как Натараджан, Иче-раши, Спэрроу, Уонг, Коробков и др., более подробно рассмотренных в работе [5], в эмпирических формулах заложены различные характерные определяющие размеры, затрудняющие сравнение результатов по теплообмену.
Получение единой формулы, описывающей теплообменные процессы тел различной формы, маловероятно, т. к. физические механизмы формирования отрывных течений существенно отличаются и зависят от большого числа факторов [6-10]. Проведение измерений локальной теплоотдачи является необходимым этапом моделирования тепловых потерь зданий и сооружений.
Все эксперименты по исследованию среднего коэффициента теплоотдачи проводились в аэродинамической трубе разомкнутого типа, работающей на всасывание. Методика обработки и проведения экспериментов изложена в работах [11, 12].
Наиболее важными параметрами проводимых экспериментов являются температура, скорость и направление воздушного потока. Авторами настоящей работы ранее проводились исследования по изучению теплообмена от-дельностоящих моделей зданий [13], а также по рассмотрению ряда моделей при угле атаки воздушного потока ф = 0°[14], однако теплообмен тандема моделей зданий при их линейном расположении не был изучен.
Определяющим параметром в данном исследовании является калибр моделей L1/a, выраженный отношением расстояния между моделями в свету L1 к определяющему размеру моделей а, в качестве которого выступает поперечный размер квадратной призмы, равный 50 мм.
Характер изменения среднего коэффициента теплообмена в зависимости от расстояния между призмами L1/a при угле атаки воздушного потока ф = 45° показан на рис. 2-5. Для сравнения на рис. 2-4 представлены данные для L1/a ^ да, соответствующие случаю обтекания одиночной призмы на плоскости [15].
Схемы расположения исследуемой модели 2 относительно модели 1 при угле атаки воздушного потока ф = 45° представлены на рис. 1.
Так как на рис. 2, 3 и 5 распределение по фронтальным (A-B) и (D-А) и кормовым (C-D) и (B-C) граням идентично относительно направления движения воздушного потока, то дальнейшее описание будет производиться только для одной из граней: для фронтальных граней - это грань (A-B); для кормовых граней - (B-C).
и
и
Ь1 = 25-1500 мм
а = 50 мм
б
а
и
с
А
2
и,
и
А
с
В
а = 50 мм
Рис. 1. Схемы расположения исследуемой модели 2 относительно впереди стоящей модели 1 при угле атаки воздушного потока ф = 45°: а - схема горизонтальных сечений; б - схема вертикальных сечений
На рис. 2 представлен сводный график распределения среднего коэффициента теплоотдачи по грани (А-В) модели 2 при увеличении расстояния
Ы/а, ф = 45°, Яе = 4,25-104.
210
Вт
190
180
170
160
150
140 ■
130
198,42
197,21
191,10
193,16
V
184,32
тах = 138,1 %
Ы/а = 3,0
тп = 100,0 % ЬИа = 27,0
174,13
Ч
-164,29
155,76 Ж
143,68
150,58
147,08
♦ 143,68
средний по А-В
средний по А-В (ОДИНОЧНАЯ)
12 15
18 21
24
1" ■ : ¿На
Рис. 2. Распределение среднего коэффициента теплоотдачи от граней (А-В) и (С-П) модели 2 при увеличении расстояния Ы/а, ф = 45°, Яе = 4,25-104
На рис. 2 при расстоянии между призмами Ы/а от 0,5 до 3,0 происходит увеличение среднего коэффициента теплоотдачи от грани (А-В) модели 2.
При максимальном сближении Ы/а = 0,5 коэффициент теплоотдачи от модели 2 выше на 32,7 %, чем от модели 1. Это связано с тем, что на грань (А-В) модели 2 сильное влияние оказывает сводообразный вихрь, образующийся от модели 1, и отрывное течение в верхней части грани (А-В) модели 2. Максимальное влияние этих сил на грань (А-В) модели 2 зафиксировано при расстоянии между призмами, равном Ы/а = 3,0. Здесь значение коэффициента
теплоотдачи достигает максимума, что на 38,1 % выше по сравнению с гранью (А-В) модели 1. На расстоянии между призмами, равном Ы/а от 3,0 до 27,0, интенсивность сводообразного вихря, образованного от модели 1 на грань (А-В) модели 2, ослабевает, как и величина отрывного течения в верхней ее части. Величина среднего коэффициента теплоотдачи от грани (А-В) модели 2 снижается и тем самым приближается к значению от грани (А-В) модели 1.
На рис. 3 представлен сводный график распределения среднего коэффициента теплоотдачи по грани (В-С) модели 2 при увеличении расстояния
Ы/а, ф = 45°, Яе = 4,25-104.
Рис. 3. Распределение среднего коэффициента теплоотдачи от граней (С-П) и (В-С) модели 2 при увеличении расстояния /Л/а, ф = 45°, Яе = 4,25-104
На рис. 3 при расстоянии между призмами Ы/а от 0,5 до 27,0 средний коэффициент теплоотдачи от грани (В-С) модели 2 плавно снижается на всем промежутке. На расстоянии Ы/а = 0,5 теплоотдача от грани (В-С) модели 2 имеет максимальное значение, которое на 68,1 % выше, чем от грани (В-С) модели 1. На кормовую грань (В-С) модели 2 оказывают влияние сразу два вихревых образования [1]: сводообразный вихрь, образованный от модели 1, и собственный сводообразный вихрь от модели 2, а также сильное отрывное течение в верхней чисти грани (В-С) модели 2. При дальнейшем увеличении расстояния сводообразный вихрь, образованный от модели 1, перестает влиять на модель 2, сила отрывного течения ослабевает, разница между средними величинами коэффициентов теплоотдачи модели 2 и 1 сокращается.
На рис. 4 представлен график распределения среднего коэффициента теплоотдачи от всей модели 2 при увеличении расстояния Ы/а, ф = 45°, Яе = 4,25-104.
200
Вт
180 170 160 150 140 130 120 НО 100
187,42 . 136,98 * 130,74
172,15
163,13
154,17
145,57
133,45
тах = 148,2 %
/1/а = 0,5
тп = 100,0 % Ы/а = 27,0
133,75 ♦ 130,10
♦ 126,49
средний по призме
средний по призме (ОДИНОЧНАЯ)
:: Ь\/а
Рис. 4. Распределение среднего коэффициента теплоотдачи по модели 2 при увеличении расстояния Ы/а, ф = 45°, Яе = 4,25-104
На рис. 5 представлен сводный график распределения среднего коэффициента теплоотдачи по граням модели 2 при увеличении расстояния Ы/а, ф = 45°, Яе = 4,25-104.
Рис. 5. График распределения среднего коэффициента теплоотдачи по граням модели 2 при увеличении расстояния Ы/а, ф = 45°, Яе = 4,25-104
Из рис. 4 видно, что при расстоянии между призмами, равном Ы/а от 0,5 до 27,0, средний коэффициент теплоотдачи от модели 2 линейно снижается на всем промежутке. На расстоянии Ы/а = 0,5 теплоотдача от модели 2 максимальная, она на 49,6 % выше, чем у модели 1. На модель 2 оказывают сильное влияние не только вихреобразования от модели 1, но и свои собственные, а также сильные отрывные течения в верхней ее части на каждой грани. На расстоянии между призмами, равном Ы/а от 0,5 до 27,0, влияние
этих сил ослабевает, и разница между средними величинами коэффициентов теплоотдачи модели 2 и 1 сокращается.
При расстоянии L1/a = 27,0 разницы между средними величинами коэффициентов теплоотдачи модели 2 и 1 нет, они равны, это условие соблюдается и при дальнейшем увеличении расстояния вплоть до L1/a = да.
Из рис. 5 видно, что при максимальном сближении L1/a = 0,5 разница по величине между гранью (A-B) и гранью (B-C) модели 2 составляет 3,2 %, причем теплоотдача на грани (A-B) выше, чем на грани (B-C). При удалении призм на L1/a = от 0,5 до 3,0 разрыв увеличивается до 18,3 %. При дальнейшем удалении призм L1/a = от 3,0 до 27,0 разница между гранями (A-B) и (B—C) модели 2 практически не увеличивается и составляет 30 % ± 2 %. При L1/a = 27,0 перепад равен 31,5 %, наблюдается сходство по распределению средних коэффициентов теплоотдачи от граней (A-B) и (B-C) между моделями 1 и 2, что соблюдается и при дальнейшем увеличении расстояния вплоть до L1/a = да.
Выводы
1. При увеличении расстояния между призмами прослеживается четкая зависимость в распределении среднего коэффициента теплоотдачи по периметру призмы: максимальная теплоотдача находится на фронтальных гранях (A-B) и (D-A); минимальная теплоотдача располагается на кормовых гранях (B-C) и (C-D), это условие сохраняется при всех калибрах (L1/a) между моделями.
2. Установлено, что при увеличении расстояния между призмами (L1/a) перепад локальных коэффициентов теплоотдачи между фронтальными (A-B) и (D-A) гранями и кормовыми (B-C) и (C-D) гранями увеличивается.
3. При увеличении калибра между призмами (L1/a) картина распределения среднего коэффициента теплоотдачи модели 2 приближается к картине распределения модели 1, а следовательно, и одиночной модели. При этом отчетливо обнаруживаются те же режимы течения, что и при обтекании потоком воздуха одиночностоящей призмы.
Библиографический список
1. Комплексные экспериментальные исследования аэродинамики и теплообмена моделей зданий и сооружений / А.И. Гныря, С.В. Коробков, A.A. Кошин, Д.И. Мокшин, В.И. Терехов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2011. - № 4. - С. 113-126.
2. Мокшин, Д.И. Исследование структуры течения воздушного потока ряда квадратных призм при смещении одной из моделей от продольной оси канала / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. - 2014. - № 13. - С. 202-208.
3. Мокшин, Д.И. Расчет локального коэффициента динамического давления с помощью программы ЭВМ / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. - 2014. - № 13. - С. 208-215.
4. Поле давлений при отрыве потока за прямоугольной призмой в пограничном слое. Влияние высоты преграды и угла атаки / А.И. Гныря, С.В. Коробков, A.A. Кошин, Д.И. Мокшин, В.И. Терехов // XXIII семинар по струйным, отрывным и нестационарным течениям (с международным участием), 2012. - С. 100-102.
5. Мокшин, Д.И. Сопоставление результатов экспериментальных работ по теплообмену плохообтекаемых тел / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Наука и современность. - 2014. -№ 31. - С. 122-128.
6. Мокшин, Д.И. Классификация факторов, влияющих на внешний теплообмен зданий и сооружений / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Новое слово в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований. - 2014. - № 12. - С. 134-138.
7. Мокшин, Д.И. Климатические условия, влияющие на внешний теплообмен зданий и сооружений / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Достижения вузовской науки. - 2014. -№ 11. - С. 139-143.
8. Мокшин, Д.И. Конструктивные параметры, влияющие на внешний теплообмен зданий и сооружений / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Достижения вузовской науки. - 2014. -№ 11. - С. 144-148.
9. Мокшин, Д.И. Технологические параметры, влияющие на внешний теплообмен зданий и сооружений / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Достижения вузовской науки. - 2014. -№ 11. - С. 148-153.
10. Мокшин, Д.И. Физические условия, влияющие на внешний теплообмен зданий и сооружений / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Достижения вузовской науки. - 2014. - № 11. -С. 153-160.
11. Мокшин, Д.И. Методика проведения и обработки экспериментов по исследованию локальной и средней теплоотдачи зданий и сооружений / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Наука и современность. - 2014. - № 31. - С. 112-122.
12. Мокшин, Д.И. Расчет локального коэффициента конвективной теплоотдачи с помощью программы ЭВМ / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. - 2014. - № 13. - С. 216-223.
13. Мокшин, Д.И. Исследование среднего теплообмена отдельностоящих квадратных призм / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты. - 2014. - № 13. - С. 196-202.
14. Мокшин, Д.И. Исследование локального теплообмена ряда тел при изменении расстояния между ними по направлению течения воздушного потока. Угол атаки воздушного потока 0 градусов / Д.И. Мокшин, С.В. Коробков // Приоритетные научные направления: от теории к практике. - 2014. - № 12. - С. 123-132.
15. Влияние числа Рейнольдса и угла атаки воздушного потока на распределение локального и среднего коэффициентов теплоотдачи моделей зданий / А.И. Гныря, С.В. Коробков, A.A. Кошин, Д.И. Мокшин, В.И. Терехов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2013. - № 3. - С. 320-328.
References
1. Gnyria A.I., Korobkov S.V., Koshin A.A., Mokshin D.I., Terehov V.I. Kompleksnye eksperi-mental'nye issledovaniya aerodinamiki i teploobmena modelei zdanii i sooruzhenii. [Experimental studies of aerodynamic and heat exchange of building models]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2011. No. 4. Pp. 113-126. (rus)
2. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Issledovanie struktury techeniya vozdushnogo potoka ryada kvadratnykh prizm pri smeshchenii odnoi iz modelei ot prodol'noi osi kanala [Airflow structure of square prisms at longitudinal displacement of one of the model]. Fundamental'nye iprikladnye issledovaniya: problemy i rezul'taty. 2014. No. 13. Pp. 202-208. (rus)
3. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Raschet lokal'nogo koeffitsienta dinamicheskogo davleniya s pomoshch'yu programmy EVM [Calculation of the local coefficient of dynamic pressure using computer programs]. Fundamental'nye i prikladnye issledovaniya: problemy i rezul'taty. 2014. No. 13. Pp. 208-215. (rus)
4. Gnyria A.I., Korobkov S.V., Terehov V.I., Koshin A.A., Mokshin D.I. Pole davlenii pri otryve potoka za pryamougol'noi prizmoi v pogranichnom sloe. Vliyanie vysoty pregrady i ugla ataki [Pressure field at flow separation behind rectangular prism in the boundary layer. Effect of barrier height and angle of attack]. Proc. 23rd Workshop on jet, separated and unsteady flows (with international partnership). 2012. No. 23. Pp. 100-102. (rus)
5. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Sopostavlenie rezul'tatov eksperimental'nykh rabot po teploo-bmenu plokhoobtekaemykh tel [Comparison of the results of experimental studies on heat transfer bluff bodies]. Nauka i sovremennost'. 2014. No. 31. Pp. 122-128. (rus)
6. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Klassifikatsiya faktorov, vliyayushchikh na vneshnii teploobmen zdanii i sooruzhenii [Classification of factors affecting external heat transfer of buildings]. No-voe slovo v nauke i praktike: gipotezy i aprobatsiya rezul'tatov issledovanii. 2014. No. 12. Pp. 134-138. (rus)
7. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Klimaticheskie usloviya, vliyayushchie na vneshnii teploobmen zdanii i sooruzhenii [Climatic conditions affecting external heat transfer of buildings]. Dosti-zheniya vuzovskoi nauki. 2014. No. 11. Pp. 139-143. (rus)
8. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Konstruktivnye parametry, vliyayushchie na vneshnii teploo-bmen zdanii i sooruzhenii [Design parameters affecting external heat transfer of buildings]. Dostizheniya vuzovskoi nauki. 2014. No. 11. Pp. 144-148. (rus)
9. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Tekhnologicheskie parametry, vliyayushchie na vneshnii teploo-bmen zdanii i sooruzhenii [Process variables affecting external heat transfer of buildings]. Dostizheniya vuzovskoi nauki. 2014. No. 11. Pp. 148-153. (rus)
10. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Fizicheskie usloviya, vliyayushchie na vneshnii teploobmen zdanii i sooruzhenii [Physical conditions affecting external heat transfer of buildings]. Dosti-zheniya vuzovskoi nauki. 2014. No. 11. Pp. 153-160. (rus)
11. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Metodika provedeniya i obrabotki eksperimentov po issledovani-yu lokal'noi i srednei teplootdachi zdanii i sooruzhenii [Methodology and experiments on local and average heat transfer of buildings]. Fundamental'nye iprikladnye issledovaniya: problemy i rezul'taty. 2014. No. 13. Pp. 208-215. (rus)
12. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Raschet lokal'nogo koeffitsienta konvektivnoi teplootdachi s pomoshch'yu programmy EVM [Calculation of the local coefficient of convective heat transfer using computer programs]. Fundamental'nye i prikladnye issledovaniya: problemy i rezul'taty. 2014. No. 13. Pp. 208-215. (rus)
13. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Issledovanie srednego teploobmena otdel'no stoyashchikh kvadratnykh prizm [Average heat transfer of separate square prisms]. Fundamental'nye i prikladnye issledovaniya: problemy i rezul'taty. 2014. No. 13. Pp. 208-215. (rus)
14. Mokshin D.I., Korobkov S.V. Issledovanie lokal'nogo teploobmena ryada tel pri izmenenii ras-stoyaniya mezhdu nimi po napravleniyu techeniya vozdushnogo potoka. Ugol ataki vozdush-nogo potoka 0 gradusov [Local heat transfer of a number of bodies at variable distances. Airflow zero angle of attack]. Fundamental'nye i prikladnye issledovaniya: problemy i rezul'taty. 2014. No. 13. Pp. 208-215. (rus)
15. Gnyria A.I., Korobkov S.V., Koshin A.A., Mokshin D.I., Terehov V.I. Vliyanie chisla Reinol'dsa i ugla ataki vozdushnogo potoka na raspredelenie lokal'nogo i srednego koeffitsientov tep-lootdachi modelei zdanii [Distribution of local and average heat transfer coefficients depending on Reynolds Criterion and angle of attack]. Vestnik of Tomsk State University of Architecture and Building. 2013. No. 3. Pp. 320-328. (rus)
