CC BY
42
акустика
Зависимость шума фасонных элементов вентиляционных сетей от конструктивных особенностей
М.Ю. Лешко
НИИСФ РААСН
Системы вентиляции с механическим побуждением и системы кондиционирования воздуха служат для создания в обслуживаемых помещениях комфортных условии в местах пребывания людей. В то же время эти системы являются одними из основных источников повышенного шума в помещениях.
Особенно это актуально для помещений с повышенными акустическими требованиями — студий звукозаписи, радио- и телестудий, офисных и жилых У!Р-помещений. Обычно при акустическом проектировании в расчет принимаются вентиляционные установки, устройства для регулирования давления и расхода воздуха, концевые воздухораспределительные устройства. Они, без всякого сомнения, являются основными источниками аэродинамического шума, и именно на них обращают внимание в первую очередь. Однако не следует забывать, что при определенных условиях могут проявиться и другие источники шума, а именно фасонные элементы вентиляционных сетей: повороты, отводы, тройники, крестовины и диффузоры. В ряде случаев именно они могут быть источниками повышенного шума, особенно в указанных выше помещениях.
В гидравлических сетях при движении жидкостей и газов различают ламинарное и турбулентное течение. Характер течения определяется числом Рейнольдса ке _ _~ , где и — характерная скорость
течения, м/с; У — характерный размер, м;
— кинематическая вязкость среды, м2/с.
При ламинарном течении (при небольших числах ке) каждая частица среды движется по прямолинейной траектории; течение происходит упорядоченным образом в виде движущихся один относительно другого слоев (слоистое течение). При этом слои не перемешиваются. При возрастании скорости и увеличении числа Рейнольдса это упорядоченное течение почти внезапно переходит в неупорядоченное с интенсивным перемешиванием в поперечном направлении — турбулентное течение. В результате такого перемешивающего движения происходит обмен импульсами в поперечном направлении, в то время как в продольном направлении каждая частица в основном сохраняет свой импульс. Переход ламинарного течения в турбулентное определяется критическим числом Рейнольдса, равным ке = 2300. Но критическое число Рейнольдса мо-
крит 1
жет иметь и меньшие значения, зависящие от условий входа в трубу и от условий притекания среды к этому входу.
В системах вентиляции с механическим побуждением течение воздуха практически всегда турбу-
лентно, поскольку критическое число Рейнольдса достигается при скоростях потока порядка
0,1...0,3 м/с (например, для воздуховода диаметром 200 мм эта скорость равна 0,17 м/с).
При движении потока воздуха в прямых участках воздуховодов возникает аэродинамический шум, который можно представить как шум турбулентного смешения (шум турбулентности) и шум пограничного слоя.
Шум турбулентности возникает из-за пульсирующих касательных напряжений в среде при наличии поперечного градиента скоростей и турбулентного обмена импульсами между слоями, движущимися с различными скоростями, что приводит к образованию крупномасштабных вихрей и последующего их распадения из-за сил вязкости на вихри более мелкого масштаба. Моменты зарождения и распадения вихрей сопровождаются шумом. Спектр шума непрерывен в широком диапазоне частот.
Шум пограничного слоя вызывается пульсациями давления на поверхности обтекаемого тела (в данном случае на стенке воздуховода), последние обуславливаются образованием, перемещением и распадом вихрей в пограничном слое. Процесс в значительной степени зависит от числа Рейнольдса (из-за сил вязкости) и турбулентности основного потока. Спектр шума непрерывный, частоты определяются параметрами пограничного слоя.
Несколько иная картина при течении потока воздуха через фасонные элементы: отводы, колена, тройники и крестовины. В этих случаях не только сохраняются предыдущие два источника шума — турбулентность и пограничный слой, но и добавляется третий источник — замкнутые или, если длина воздуховода за поворотом в направлении движения потока достаточно мала, разомкнутые вихревые зоны, образующиеся за счет сил инерции и сил вязкости. В местах образования вихревых зон происходит поджатие потока с увеличением его скорости (рис. 1). В прямоугольных коленах, где радиус закругления практически отсутствует, вихревая зона сдвигается за поворот, а на внутренней кромке колена происходит отрыв потока с образованием вихрей — отрывное течение.
Границы этих зон пульсируют за счет периодического срыва вихрей и обмена вихрями с активным потоком в канале (вихревой слой). Дискретные вихри за счет действия вязких сил распадаются на ряд более мелких. Такой процесс приводит к пульсациям скоростей и давлений в канале, распространяющимся в виде звука — вихревой шум. Частотный состав шума определяется критериями Гельмгольца и Струхаля.
Чем выше скорость воздушного потока на вхо-
V
акустика
Рисунок 1. Характер течения потока воздуха в плавном повороте.
де в поворот и чем меньше его радиус, тем длиннее вихревая зона и ее граница. Отсюда следует возрастание мощности импульсного обмена между основным потоком и вихревой зоной и возрастание мощности вихревого шума.
На скоростях потока воздуха до 15.20 м/с, что соответствует максимальным значениям скоростей в вентиляционных сетях, длина замкнутой вихревой зоны не превышает 8.9 калибров воздуховодов.
При достаточно малой длине воздуховода за поворотом (по ходу движения воздуха) вихревая зона может разомкнуться. В этом случае в зоне организуется собственное интенсивное течение — наружный воздух извне подсасывается в зону и выходит из нее. Импульсный обмен увеличивается, возрастает и шум [1].
Если в этом случае на конце воздуховода за поворотом будет установлена вентиляционная решетка или иное воздухораспределительное устройство, то ее работа не будет соответствовать проектной. В той части решетки, куда будет входить поджатый поток, скорости истечения возрастут и, соответственно, увеличится шум, а в зоне разомкнутой вихревой зоны решетка вообще перестанет работать как приточное устройство.
Учитывая вышесказанное, можно дать ряд практических советов по геометрическому исполнению фасонных элементов вентиляционных сетей с точки зрения оптимизации создаваемого ими аэродинамического шума (без количественных оценок).
Для поворотов вентиляционных сетей (рис. 2):
— по возможности исключить применение в сетях прямоугольных колен круглого и квадратного сечения (рис. 2а);
238 5 2009
шумно
менее шумно
г)
Рисунок 2. Геометрическое исполнение поворотов.
— при использовании прямоугольных колен устанавливать в месте поворота направляющие лопатки — лопатки Прандтля (рис. 2б);
— применять отводы с максимально большим радиусом закругления: внутренний радиус г > 1 /20, где й — диаметр отвода (рисунок 2в);
— использовать в отводах направляющие лопатки по всей длине отвода (рис. 2г).
Часто в вентиляционных сетях встречаются случаи обхода воздуховодом строительных конструкций. В таких случаях следует использовать сочетания поворотов по радиусу (плавных поворотов), как на рисунке 2. Если это по какой-то причине невозможно, то оптимальной конструкцией является обходной элемент, показанный на рис. 3.
Для используемых в вентиляционных сетях тройников и крестовин:
— исключить применение тройников и кресто-
акустика
а)
б)
|| Г
—► —► й
і \ іКч\ ІІ ' к
▼ 1 ♦ 1-А ▼ 1
шумно
г)
менее шумно
д)
оптимально
е)
“иг “т иг
шумно менее шумно оптимально
Рисунок 4. Геометрическое исполнение тройников (крестовин).
б)
в) 7,5°.
вихревая зона
Рисунок 5. Геометрическое исполнение элементов с переменным поперечным сечением
вин с прямоугольными врезками (ответвлениями) в магистрали (рис. 4а, г);
— использовать тройники и крестовины с ответвлениями под углом к магистрали (рисунок 4б, д);
— использовать тройники и крестовины с ответвлениями по радиусу (рис. 4в, е).
Также в вентиляционных сетях используются элементы с переменными поперечными сечениями, например, когда воздуховод входит в камеру статического давления с вентиляционной решеткой. В таких случаях, как правило, соединение воздуховода и камеры происходит под прямым углом (рис. 5а), что приводит к значительному вихреобразова-нию и шуму. Подсоединение воздуховода к камере следует выполнять через двусторонний или односторонний диффузор (рис. 5б). А при угле 150 (оптимальная конструкция) можно исключить камеру статического давления, чью функцию будет выполнять сам диффузор (рис. 5в).
Для сохранения замкнутости вихревых зон и минимизации аэродинамического шума, генерируемого фасонными элементами, при их монтаже в вентиляционных сетях крайне желательно выдерживать расстояния между элементами порядка восьми калибров их поперечного сечения.
Список литературы:
1. Лешко М.Ю. Шум дросселирующих устройств вентиляционных систем. Материалы Международной научно-технической конференции «Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции». М., МГСУ, 2005 г.
а
