CC BY
9
Н. М. ТОМСОН (Москва)
Применение метода аэродинамических исследований в гигиене1
Научное обоснование гигиенических норм требует изучения окружающей среды и ее воздействия на физиологические процессы человека. Для этих целей гигиена широко использует химические и бактериологические методы исследования, физические .же методы до сих пор использовались незначительно. Внедряющиеся в последнее время в гигиенические лаборатории аэродинамические исследования обогащают наши знания о движении воздуха и дают возможность обосновать гигиенические требования к вентиляции, а также в значительной мере облегчают изучение вопросов естественного проветривания.
Для крупных населенных мест характерно изменение в теплое время года микроклиматических условий вследствие наличия больших каменных, асфальтовых и железных поверхностей и незначительности зелени. В населенных местах атмосферный воздух постоянно загрязняется промышленными, коммунальными, транспортными и бытовыми аэрозолями; загрязняют атмосферу также и отбросы, особенно при недостаточно налаженной очистке. Поэтому необходимо, кроме мер, предупреждающих и уменьшающих загрязнение воздуха, предусмотреть при планировке города возможность хорошего естественного проветривания жилищ и кварталов. Это требует изучения законов проветривания и обтекания препятствий для ветра (постройки), которое мы проводим на моделях домов. Аэродинамический закон подобия позволяет данные, установленные на небольших моделях, переносить на естественные размеры с достаточной для практических целей точностью.
Аэродинамическая труба представляет собой сооружение, в котором искусственным путем создается движение воздуха. Рабочая площадка, на которой изучается движение воздуха на моделях, имеет в длину 1 м, в ширину 1 м и высоту 60 см. Максимальная скорость движения воздуха в трубе Института коммунальной гигиены в Москве достигает 15 м/сек. при двух моторах около 3 каждый, двигающих два параллельно расположенных вентилятора.
Основные способы исследования, принятые в аэродинамике (аэродинамические весы и трубка Пито), не вполне отвечают нашим требованиям, так как при изучении движения воздуха нас интересуют преимущественно не давления, испытываемые моделью в воздушном потоке, а лобовое сопротивление или подъемная сила, создающаяся вокруг модели в зависимости от обтекания воздушным потоком. Поэтому подход гигиенистов к аэродинамике несколько иной, чем у техников.
В поисках наиболее отвечающего указанным требованиям способа исследования в Центральном институте коммунальной гигиены в Москве были испытаны на построенной аэродинамической трубе: а) флажки, б) газовое пламя, в) порошки, г) пыль, д) испаряемость, е) флюгер с лампочками и ж) трубка Пито, причем получены благоприятные результаты.
Небольшой флажок из целлулоида (25 X 8 мм), передвигаемый с места на место (или же целая серия фдажков, но тогда сами флажки уже представляют некоторое препятствие), был использован для изучения движения ветра и определения зон распространения вихрей2.
1 Заслушано на научной конференции Центрального научно-исследователь-.ского института коммунальной санитарии и гигиены НКЗдрава СССР 2.У1.1937 г.
2 См. журнал «Социалистический город», № 11, 1936.
Для демонстрации обтекания воздухом модели может служить пламя светильного газа. В потоке воздуха газовое гглтт?Г""вытягивается (до 40—50 см). При поднесении к модели пламя отклоняется соответственно линиям обтекания; оно начинает отклоняться еще на некотором расстоянии от модели. При поднесении вплотную к модели пламя не касается ее благодаря наличию пограничного слоя, где скорость быстро уменьшается и доходит до нуля. Поэтому деревянные модели при движении воздуха не только не загораются от пламени, но и почти не нагреваются. Пламя дало возможность обнаружить наличие вертикального вихря в нижнем слое у поверхности горизонтальной плоскости перед самой моделью. Другими способами этого явления обнаружить не удалось. За моделью пламя принимает дугообразное, нисходящее направление.
Наличие вихревых колец за моделью доказывается фотосъемками движения какого-либо легкого порошка (алюминий, ликоподий, магний) на поверхности
Ь-асл
Рис. 1
воды. Образование вихрей ка поверхности! воды удобно фотографировать, и так как гидродинамические и аэродинамические законы в принципе одни и те же, то пользование этим способом вполне допустимо и при изучении движения воздуха.
Вихревые кольца образуются за моделью попеременно от обоих углов, отрываются и вновь образуются.
На моделях можно изучать также законы распространения и оседания пыли в воздушном потоке. Характерно наличие почти свободной от пыли зоны, опоясывающей модель, образование с боков от модели зон более густого оседания и небольшой зоны скопления пыли непосредственно за моделью.
Легко исследовать степень проветривания различных точек вокруг модели, используя явление испарения. Модель устанавливается на стекле, на которое в различных местах наносятся одинакового размера капли воды. В воздушном потоке капля воды испаряется в зависимости от скорости ветра в различное время — в пределах от 5 до 25 минут, если принять, что за это короткое время температура и влажность остаются постоянными или изменяются незначительно.
Еще лучше и нагляднее можно изучать явления испарения при высыхании
2 Гигиена и санитария, № 1
фотопластинки с мокрым слоем желатины. Для этого бралась фотопластинка размером 9X12 см (лучше брать большего размера—18X24 или 24 X 30 см), на которую ставилась модель размером 15 X10 X 5 мм. При скорости ветра 4 ,м/сек. желатина на фотопластинке полностью высыхала через 19 минут. Уже-через 1 минуту после начала обдувания можно было заметить узкую дугу, охватывающую модель спереди и с боков, причем за моделью по середине выделялась более влажная полоса между быстро высыхающими полосами с боков. Через 3 минуты быстро высыхающий участок принял уже довольно резкие очертания в виде подковообразной фигуры. Через 12 минут сухой участок охватывал всю модель и давал довольно длинный хвост, причем немного отступя за моделью оставался небольшой влажный участок, который исчез на 14-й минуте. Через 17 минут оставались только две небольших влажных полоски по бокам за моделью, которые исчезали на 19-й минуте.
Фотографирование движения небольшого флюгера с укрепленными на нем лампочками от карманного фонаря дает возможность объ-
Рис. 2
ективно зафиксировать направление ветра в различных точках и границы вихревых зон.
Трубка Пито представляет собой один из основных приборов для исследования движения воздуха и с успехом может быть использована и для наших целей.
Трубка Пито — Прандтля, использованная в описываемых опытах, представляет собой соединение двух трубок. Отверстие одной из них оканчивается на переднем конце, а отверстие другой расположено сбоку. Если трубка Пито—Прандтля расположена вдоль потока воздуха, то отверстие на конце трубки будет показывать положительное давление, а отверстие сбоку — отрицательное давление, или разрежение. Трубка положительного давления соединяется с резервуаром.
микроманометра Спирина, а трубка отрицательного давления — с трубкой шкалы микроманометра. При одновременном включении обеих трубок микроманометр показывает суммарное давление.
В описываемых ниже опытах посредством трубки Пито—Прандтля измерялось суммарное давление вокруг модели размером 200 X 120X50 мм в 350 точках. Измерение производилось по клеммам через каждые 5 см в горизонтальной плоскости и через 2 см в вертикальном направлении всего в 12 плоскостях, т. е. до высоты в 24 см.
Суммарное давление, измеренное описанным выше способом, изображено методом изоплет (бароизоплеты) на рис. 1 при скорости в аэродинамической трубе 8 м/сек.
За моделью находится зона пониженного давления (зона вихрей), причем нулевое давление простирается на расстояние около четырех высот модели, а первоначальное давление восстанавливается на расстоянии около десяти высот. Со стороны торцов модели имеются небольшие вытянутые зоны повышенного давления, которые простираются на расстояние около двух высот модели. Перед моделью понижение давления начинается приблизительно на расстоянии около четырех высот. Нулевое давление представлйет собой не штилевую зону, а зону вихрей. Трубка Пито показывает истинное давление, когда поток ветра строго параллелен, в вихревой же зоне параллельного направления нет, и поэтому трубка Пито показывает пониженное давление, доходящее до нуля.
По мере повышения уровня измерения над плоскостью давление ветра постепенно выравнивается. Нулевая зона исчезает на уровне гребня крыши. Над крышей две зоны повышенного давления соединяются в одну подковообразную фигуру, а на двойной высоте все зоны почти сглаживаются.
На рис. 3 изображено суммарное давление в вертикальных продольных сечениях. Отмеченные особенности в распределении давления повторяются также и здесь.
На рис. 4 показано распределение суммарного давления в вертикальных поперечных сечениях. Если следить за изменениями давления на различном расстоянии, то мы увидим, как постепенно изменяется характерное распределение давления.
Для большей ясности приводим таблицу распределения суммарного давления, измеренного трубкой Пито, вокруг модели 200Х120Х Х50 см при скорости потока воздуха 8 м/сек. в горизонтальной плоскости на уровне 6 см, на основании которой составлены изоплеты:
Распределение суммарного давления
56 58 55 56 56 57 57 57 56 60 59 58 58 56 53 59 56 54 54 53 53
58 57 57 56 56 56 57 58 57 61 6 | 62 58 56 53 59 55 53 53 51 52
57 57 57 56 56 55 57 57 58 65 65 65 62 58 55 60 53 51 51 50 50
57 55 56 55 55 52 56 57 58 66 76 74 73 65 60 62 51 47 44 48 49
56 55 55 51 53 49 45 42 40 30 25 45 78 79 66 67 42 42 45 45 47
47 47 45 40 35 25 20 5 9 4 9 11 14 32 35 40 43 45
38 35 33 24 20 10 3 0 0 0 7 9 12 Место 24 28 36 41 44
36 31 29 18 10 4 0 0 0 0 5 9 12 22 25 35 40 43
35 30 26 18 8 2 0 0 0 0 6 10 13 модели 24 28 36 41 43
34 32 30 22 12 10 4 2 3 2 7 14 14 33 35 40 43 44
40 45 40 39 32 36 30 25 28 25 28 40 79 70 66 62 45 43 45 47 47
48 52 52 51 50 52 49 55 33 62 71 77 74 65 60 61 52 51 50 51 50
53 54 55 51 55 55 54 57 54 59 66 63 64 57 55 58 55 53 51 53 51
55 55 55 55 55 55 55 57 57 58 60 60 ео 55 53 57 55 53 52 52 52
40 40 47 48 56 54 57 57 57 56 58 37 37 37 53 52 41 42 45 47 47
При сопоставлении данных измерения суммарного давления в горизонтальных и вертикальных разрезчх видно, что при обтекании модели ветром получается зона повышенного давления в виде свода или арки, охватывающей модель на некоторой высоте.
Зона вихрей (нулевого давления) занимает пространство за моделью и ограничивается параллельными линиями, проведенными от граней модели, причем вихри немного переходят через эту линию
Рис. 3. Давление ветра, измеренное трубкой Пито в различных вертикальных сечениях
только в нижних горизонтальных плоскостях. Зона вихрей исчезает на уровне крыши. Пространственная форма нулевой зоны имеет вид конуса. Передняя сторона, обращенная к модели, имеет крутой, почти отвесный подъем; задняя сторона—г покатый, наклонный спуск.
Зона пониженного суммарного давления перед моделью имеет также форму конуса, у которого отвесная сторона обращена кзади, в
ю гззоп и>
сторону модели, а покатая, наклонная — кпереди, навстречу потоку воздуха.
Несколько слов об условиях проветривания. Проведенные опыты обнаружили зону повышенного проветривания впереди, сверху и сбо-ков и зону пониженного проветривания за моделью. В первой зоне за единицу времени проносится увеличенное количество воздуха. Если воздух содержит вредную примесь, то действие этой примеси
Рис. 4. Суммарное давление ветра в вертикальных поперечных сечениях (модель 200 х 120 X 50 мм, скорость ветра
8 м/сек.)
будет здесь наибольшим. В зоне вихрей количество воздуха, проносящегося в единицу времени, во много раз меньше: поэтому обмен «оздуха значительно уменьшен и количество проносящихся воздушных загрязнений меньше. Однако, вследствие уменьшенной скорости, ■роисходит большее оседание аэрозолей со значительным удельным весом и более длительная задержка их после прекращения поступления загрязненного воздуха.
Примененные методы исследования дают возможность изучить движение воздуха при обтекании одной модели на открытой плоскости и установить характерные особенности, знание которых поможет разобраться в более сложных явлениях проветривания многочисленных и различно расположенных домов в жилом квартале.
