CC BY
16
T.I. REMEZOVA
THE TECHNOLOGY OF ERECTING THE THERMOEFFECTIVE CLAYDITE CONCRETE MONOLITHIC EXTERNAL WALLS WITH VERTICAL CYLYNDRICAL CANALS FILLED WITH POLYSTYRENE-CONCRETE
The technology of erecting of claydite concrete monolithic external walls with vertical cylindrical canals filled with polystyrene-concrete was suggested. Three additional construction processes were introduced: a) assembling of void formation; b) disassembling of void formation; c) filling of canals with polystyrene-concrete mixture D250 mark.
The algorithm of organization-technological decisions of works was carried out.
УДК 693.5:536.24+532.51
A.И. ГНЫРЯ, докт. техн. наук, профессор, korobkov@hotmail.ru
ТГАСУ, Томск,
B. И. ТЕРЕХОВ, докт. техн. наук, профессор, terekhov@itp.nsc.ru
ИТ СО РАН, Новосибирск,
C. В. КОРОБКОВ, канд. техн. наук, доцент, korobkov@hotmail.ru
ТГАСУ, Томск
РЕЗУЛЬТАТЫ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ТЕЧЕНИЯ ВОЗДУШНОГО ПОТОКА ВДОЛЬ РЯДА ИЗ ДВУХ КУБОВ, РАСПОЛОЖЕННЫХ НА ПЛОСКОСТИ ДРУГ ЗА ДРУГОМ*
В данной статье приводятся результаты визуализации течения воздушного потока с помощью сажемасляной пленки, наносимой на каждую из граней куба, а также на поверхность, на которой размещались исследуемые кубы. Целью данной работы является оценка гидродинамической структуры отрывных течений, характер и размеры отрывных зон. Полученные данные позволяют оценить величину тепловых потерь от монолитных конструкций и сооружений кубической формы, а также учесть эффекты взаимного влияния плохообтекаемых тел на закономерности теплообмена.
В настоящее время большое распространение получили исследования теплообмена бетонируемых конструкций в сложном комплексе климатических факторов окружающей среды с учетом конструктивных и технологических параметров, а также особенностей строительной площадки. Результаты
* Данная работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 09-08-00523-а «Комплексные экспериментальные исследования аэродинамики и теплообмена моделей зданий и сооружений»).
© А.И. Гныря, В.И. Терехов, С.В. Коробков, 2009
натурных наблюдений дают наиболее исчерпывающее, всестороннее представление о температурном режиме и наборе прочности конструкций, бетонируемых в туннельной опалубке.
Однако натурные наблюдения и эксперименты имеют ряд недостатков. Во-первых, для выяснения закономерностей какого-либо явления его целесообразно выделить в чистом виде. Так, при исследовании взаимодействия ветра и монолитной бетонной конструкции, когда рассматривается ветер в качестве климатического фактора, обладающего какой-либо средней величиной и сравнительно устойчивым направлением. Такое допущение является достаточно грубым, так как отсутствует возможность сохранения постоянства его величины и направленности. Во-вторых, натурные исследования очень громоздки и сложны с организационной точки зрения. И наконец, самое существенное заключается в том, что при проведении натурных экспериментов мы почти лишены возможности варьировать форму и размеры конструкции, скорость и направление ветра, местоположение конструкции и т. д. Такое многообразие климатических факторов, конструктивных и технологических параметров, влияющих на температурный режим твердения бетона, затрудняет выявление закономерностей теплообмена монолитных конструкций с внешней средой.
Кроме того, выявление и описание зон с повышенной теплоотдачей является важным элементом прогнозирования теплового состояния строительных монолитных конструкций, поскольку наличие таких областей может привести к нарушению процесса набора прочности при бетонировании монолитных бетонных конструкций в туннельной опалубке. Поэтому основным методом экспериментального изучения рассматриваемых явлений был принят метод физического моделирования. Этот метод получил в настоящее время широкое распространение в строительной физике. Теоретической основой эксперимента на моделях является теория подобия [1, 2]. Для экспериментального исследования коэффициента теплоотдачи моделей, имеющих определенную форму бетонных конструкций, был создан специальный аэродинамический стенд (рис. 1). Ряд экспериментов, для подтверждения их достоверности и выявления возможных характерных особенностей стендового оборудования, был проведен на аэродинамической трубе Института теплофизики СО РАН [3, 4].
Помимо проведения серий экспериментов на аэродинамическом стенде по исследованию конвективного теплообмена от тандемного расположения кубов, установленных на плоскости под различными углами атаки и при различных скоростях набегающего воздушного потока, были также проведены и ви-зуализационные исследования течения воздушного потока вокруг ряда кубов.
Была проведена сажемасляная визуализация течения воздушного потока. Она наглядно показывает картину омывания модели потоком воздуха. Целью визуализационных исследований является установление взаимосвязи полученных картин омывания куба потоком воздуха с картиной распределения локальных коэффициентов теплоотдачи, полученной при проведении серий экспериментов на аэродинамическом стенде, а также оценка гидродинамической структуры отрывных течений, характера и размеров отрывных зон.
Рис. 1. Общий вид аэродинамического стенда:
1 - вxодное сопло; 2 - рабочая камера; 3, 4 - отводные трубы; 5 - испытываемая модель; 6 - трубка Пито - Прандтля; 7 - микроманометр ММН; 8 - термоэлектрические преобразователи (термопары) или датчики теплового потока; 9 - многоканальный модуль Termo Lab 16х V2.5; 10 - персональный компьютер со встроенной многофункциональной платой LabMaster; 11 - принтер; 12 - отчет; 13 - ампервольтметр; 14 - лабораторный трансформатор РНО-250; 15 - амперметр
Сажемасляная визуализация была проведена на аэродинамической трубе открытого типа, работающей на всасывание. Для этого было изготовлено девять испытуемые моделей в виде кубов. Cxема установки исследуемые кубов в аэродинамической трубе показана на рис. 2.
Рис. 2. Схема установки исследуемых кубов в аэродинамической трубе: 1 - куб без теплообмена; 2 - то же с теплообменом
Исследовалась картина обтекания потоком воздуха куба, расположенного в следе за впередистоящим кубом при угле атаки ф = 0о и калибрах между кубами L/H = 0; 0.5; 1; 2; 3, а также при угле атаки ф = 45о и при двух крайних калибрах L/H = 0 и 3 (рис. 3-9). Опыты были проведены при максимальной скорости воздушного потока Uo = 12 м/с. Все модели изготавливались из органического стекла и устанавливались на подложку, выполненную из того же материала. Длина грани моделей куба принималась H = 75 мм.
Методика проведения визуализации следующая. Все грани куба, в том числе и верхняя поверхность, а также подложка, на которой устанавливалась модель, покрывались тонким ровным слоем раствора черного цвета, полученного путем смешивания типографской краски и керосина. Затем исследуемая модель помещалась в рабочую камеру аэродинамической трубы. В трубе устанавливался необходимый гидродинамический режим воздушного потока. Эксперимент продолжался до тех пор, пока не появилась четко видимая характерная картина обтекания модели потоком воздуха.
Перейдем к анализу полученных с помощью визуализации картин течения. На рис. 3 при угле атаки воздушного потока ф = 0о и калибре между кубами L/H = 0 видно, что пограничный слой течения, приближаясь к впереди стоящему на плоскости кубу выше по течению, подвергается трехмерному разделению. Область течения в непосредственной близости от переднего куба характеризуется структурой подковообразного вихря, возникающего на его передней грани и простирающегося вдоль боковых граней ряда кубов в направлении ниже по течению. Течение вблизи подковообразного вихря имеет неустойчивый характер.
Рис. 3. Картина обтекания куба потоком воздуха, расположенного в следе впередистоя-щего куба при угле атаки ф = 0° и калибре = 0 (Яє = 1,2-105)
На боковых гранях наблюдаются зоны рециркуляции в виде вихрей. Эти вихри покрывают значительную часть боковых граней как переднего куба, так и установленного за ним второго куба. Это явление, наблюдаемое во время сажемасляной визуализации воздушного потока, заключается в неустойчивом с периодическими пульсациями течении, возникающем ниже на боковых гранях впередистоящего куба, где внутренний подковообразный вихрь испытывает разворот.
В области за вторым кубом формируется сводообразный вихрь. Его отпечатки на подложке в результате визуализации обнаружены в виде двух противоположно вращающихся вихрей.
Верхняя грань второго куба находится в зоне отрыва течения, которая начинается около переднего края верхней грани на впереди стоящем кубе.
При увеличении калибра между кубами до L/H = 0,5 (рис. 4) картина течения на передней и боковых гранях впередистоящего куба остается без изменений. Боковые грани второго куба все еще находятся в зоне отрыва пограничного слоя воздушного потока. В области за вторым кубом наличие сводообразного вихря сохраняется. Сдвигающийся пограничный слой над верхней гранью впередистоящего куба присоединяется на верхней грани второго куба. В области между кубами находится застойная зона.
Рис. 4. Картина обтекания куба потоком воздуха, расположенного в следе впередистоя-щего куба при угле атаки ф = 0° и калибре ІШ = 0,5 (Яє = 1,2-105)
При калибре между кубами І/Н = 1 (рис. 5) в области между кубами возникает пульсация застойной зоны и в области за впереди стоящим кубом возникает сводообразный вихрь, который занимает большую часть пространства между кубами. На передней грани второго куба в углах наблюдается небольшая пульсация течения. На верхней грани второго куба снова наблюдается отрыв течения потока.
Рис. 5. Картина обтекания куба потоком воздуха, расположенного в следе впередистоя-щего куба при угле атаки ф = 0° и калибре І/Н = 1 (Яе = 1,2-105)
На рис. 6 видно, что в области между кубами влияние сводообразного вихря увеличивается. На передней грани второго куба пульсация течения усиливается, и происходит зарождение подковообразного вихря. На боковых гранях второго куба наблюдается присоединение пограничного слоя воздушного потока. На верхней грани второго куба наблюдается присоединение потока. Остальные характеристики течения на передней и боковых гранях впереди-стоящего и кормовой грани второго куба не изменились.
Рис. 6. Картина обтекания куба потоком воздуха, расположенного в следе впередистоя-щего куба при угле атаки ф = 0° и калибре Ь/И = 2 (Яв = 1,2-105)
С увеличением калибра до Ь/И = 3 (рис. 7) на передней грани второго куба происходит некоторое разделение потока. Происходит увеличение интенсивности подковообразного вихря на передней грани второго куба, который начинает распространяться и на боковые грани. Зона устойчивого влияния сводообразного вихря за впередистоящим кубом в области между кубами постепенно размывается. В углах передней грани второго куба возникают силы рециркуляции с периодическими пульсациями течения. Верхняя грань находится в зоне присоединенного потока.
Рис. 7. Картина обтекания куба потоком воздуха, расположенного в следе впередистоя-щего куба при угле атаки ф = 0° и калибре Ь/И = 3 (Яв = 1,2-105)
Как в противоположность при угле атаки воздушного потока ф = 45о (рис. 8) поток около передних боковых граней впередистоящего куба движется строго вперед без разделения. Режим течения потока клинообразный.
Рис. 8. Картина обтекания куба потоком воздуха, расположенного в следе впередистоя-щего куба при угле атаки ф = 45° и калибре Ь/И = 0 (Яв = 1,2-105)
Как при угле атаки потока воздуха ф = 0о, так и при угле атаки ф = 45о за впередистоящим кубом образуется сводообразный вихрь в виде двух противоположно вращающихся вихрей. Между передними боковыми гранями второго куба и образующимся за впередистоящим кубом сводообразным вихрем образуется застойная зона. В области за вторым кубом также образуется вихревое течение, которое по интенсивности меньше, чем интенсивность сводообразного вихря, образующегося за впередистоящим кубом. Верхняя грань второго куба находится в зоне отрыва течения, начинающегося на верхней грани впередистоящего куба.
При калибре Ь/И = 3 (рис. 9) большая часть области устойчивого влияния сводообразного вихря между кубами размыта. Около второго куба его влияние ослабевает, и на переднем углу передних боковых граней второго куба начинает проявляться режим клинообразного течения потока. Интенсивность сводообразного вихря за вторым кубом увеличилась.
Рис. 9. Картина обтекания потоком воздуха куба, расположенного в следе впередистоя-щего куба при угле атаки ф = 45° и калибре Ь/И = 3 (Яв = 1,2-105)
На верхней грани второго куба заметно влияние двух образующихся конусообразных вихрей в виде Л-структур, совершающих спиральное вращение.
Выводы
Из всего сказанного выше можно сделать вывод, что при увеличении калибра между кубами Ь/И картина обтекания воздушным потоком второго
куба приближается к картине обтекания впередистоящего куба, а следовательно, и одиночного куба. При этом отчетливо обнаруживаются те же режимы течения, что и при обтекании потоком воздуха одиночно стоящего куба.
Очевидно, что описанная выше качественная структура сложных отрывных течений будет непосредственно сказываться на характере изменения локальной теплоотдачи. Одной из основных особенностей является устойчивость вихревой зоны между кубами. С увеличением расстояния между кубами, как показали визуализационные испытания, ее стабильность ослабляется, она становится более размытой, что в итоге должно приводить к лучшему обновлению застойной массы и, следовательно, возрастанию процессов теплообмена.
Библиографический список
1. Исаченко, В.П. Теплопередача / В.П. Исаченко, В.А. Осипова, А.С. Сукомел. - М. :
Энергия, 1975. - 488 с.
2. Исаев, С.И. Теория тепломассообмена / С.И. Исаев, И.А. Кожинов, В.И. Кофанов ; под ред. А.И. Леонтьева. - М. : Высшая школа, 1979. - 495 с.
3. Терехов, В.И. Законы теплообмена в обтекаемых турбулентным потоком траншеях /
B.И. Терехов, Н.И. Ярыгина // Промышленная теплотехника. - 1997. - Т. 19. - № 4-5. -
C. 127-130.
4. Терехов, В.И. Теплообмен за обратным уступом в потоке с генерируемой турбулентностью / В.И. Терехов, Н.И. Ярыгина, Р.Ф. Жданов // Теплофизика и аэромеханика. - 1998. - Т. 5. - № 3. - C. 377-385.
A.I. GNYRYA, V.I. TEREKHOV, S.V. KOROBKOV
RESULTS OF VISUALIZATION OF AIR STREAMING ALONG ROW OF TWO CUBES LOCATED ON A PLANE ONE AFTER ANOTHER
The paper presents the results of visualization of current of air streaming by means of soot-oil film put on each side of a cube, and also on a surface, on which investigated cubes were placed. The purpose of the given work is the estimation of hydrodynamical structure of tear-off currents, character and the sizes of tear-off zones. The obtained data allow to estimate the value of heat losses from monolithic designs and constructions of the cubic form, also to consider the effects of mutual influence of bad streamline objects on the regularity of heat exchange.
