Ламинарный и турбулентный воздушный поток. Основные характеристики турбулентных свободных струй Граница воздушной струи

Формирование воздушной струи в процессе преодоления нарушений звукопроизношения является основным направлением логопедической коррекции, без которого невозможно достигнуть желаемого результата.

Основным назначением дыхательного аппарата является осуществление газового обмена т. е доставка в ткани организма кислорода и выведение из них углекислого газа. И этот обмен совершается благодаря периодическому обновлению воздуха в лёгких, которое происходит при попеременном чередовании дыхательных фаз – вдоха и выдоха.

Различают три основных типа дыхания:

• ключичный
• рёберный (грудной)
• диафрагмальный (брюшной)

При ключичном дыхании поднимается плечевой пояс и верхние рёбра, происходит расширение преимущественно верхней части грудной клетки.

При рёберном (грудном) грудная клетка расширяется вперёд и в стороны.

В диафрагмальном дыхании – диафрагма опускается и увеличивается главным образом нижняя часть грудной клетки; брюшная стенка при этом выпячивается.

Чистых типов дыхания в действительности не наблюдается. В любом типе дыхания в большей или меньшей степени активно действует диафрагма. Поэтому практически можно говорить лишь о преимущественно ключевом, преимущественно брюшном, или ключичном дыхании.

Типы дыхания зависят от пола, возраста, профессии.

Так, у женщин чаще наблюдается грудной тип дыхания, у мужчин- брюшной, у работников физического труда превалирует брюшной тип дыхания, у лиц, занятых канцелярской и вообще сидячей работой- грудной тип.

У детей обычно бывает смешанный тип дыхания т. е средний между брюшным и грудным.

При глубоком, или полном дыхании сочетаются три типа дыхания – ключичный, грудной, брюшной.

В течение 1минуты происходит 16-20 полных дыхательных движений (вдохов и выдохов). Длительность вдоха почти равна длительности выдоха (отношение времени вдоха ко времени выдоха равно приблизительно 1: 1, 25).

Это физиологическое дыхание, необходимое для жизнедеятельности.

Но чтобы ребёнок начал говорить, он должен освоить особый вид дыхания – речевое дыхание. Под этим термином понимается способность человека в процессе высказывания своевременно производить достаточно глубокий вдох и рационально расходовать воздух при выдохе. Речевое дыхание – основа звучащей речи, источник образования звуков, голоса. Оно обеспечивает нормальное голосообразование, помогает верно соблюдать паузы, сохранять плавность речи, менять громкость, использовать речевую мелодику.

Развитие речевого дыхания у ребёнка начинается уже в возрасте 6 месяцев идёт подготовка дыхательной системы к реализации голосовых реакций, и завершается к 10 годам.

Формирование речевого дыхания предполагает, в том числе, и выработку воздушной струи. Выработка воздушной струи считается одним из необходимых и значимых условий постановки звуков. Работа по воспитанию воздушной струи начинается на подготовительном этапе формирования правильного звукопроизношения, наряду с развитием фонематического слуха и артикуляционной моторики.

Известно, что звуки произносятся в фазе выдоха. Как правило, смычные взрывные и смычно – щелевые согласные звуки произносятся коротко, воздушная струя слабая. Сонорные звуки и щелевые требуют сильной длительной воздушной струи.

Произнесение большинства звуков позднего онтогенеза требует направленной воздушной струи. Рассмотрим на примере характеристики воздушной струи необходимой при произнесении шипящих и свистящих звуков.

Существуют три основных направления воздушной струи:

1. воздушная струя направлена прямо по центру языка. Это характерно для произнесения большинства звуков; губно-губных (В, В, Ф, Ф, заднеязычных (К, К. Г, Г. Х, Х, переднеязычных (Т, Т, Д, Д, свистящих (С, С, З, З, Ц)
2. воздушная струя направлена по центру языка вверх. Это характерно для произнесения шипящих (Ш, Ж, Щ, Ч) звуков и вибрантов (Р, Р).
3. воздушная струя направлена по боковым краям языка Это характерно для произнесения смычно-проходных (Л, Л) звуков.

В соответствии с перечисленными направлениями прохождения воздушной струи в полости рта в логопедической работе используются следующие упражнения:

1. «Сдуй снежинки с горки».(используйте кусочки ватки или паралоновые шарики) «Наказать непослушный язык». «Желобок».
2. «Фокусы».
3. «Идёт охотник по болоту»

Выработка воздушной струи может проводиться до артикуляционной гимнастики или одновременно с артикуляционной гимнастикой. Поскольку в формировании воздушной струи активное участие принимают щёки, губы, язык.

Артикуляционные упражнения, выполняемые на выдохе:

• «Индюшата». На выдохе произносится «Бл-бл-бл».
• «Наказать непослушный язычок». На выдохе произносится «Пя-пя-пя».
• «Пулемёт» На выдохе произносится «Т-т-т».
• «Моторчик». На выдохе произносится «Р-р-р».
• «Жук» На выдохе произносится «Ж-ж-ж».

В системе логопедической работы по воспитанию воздушной струи можно выделить основные направления:

1. Дутьё при сомкнутых губах.
2. Дутьё сквозь губы, вытянутые трубочкой.
3. Дутьё сквозь растянутые в улыбке губы.
4. Дутьё на язык.

Рассмотрим подробнее каждое направление.

1. Дутьё при сомкнутых губах. Для укрепления мышц щёк подготовительными могут считаться следующие упражнения:
   • «Надуть два шарика» Надувать щёки и удерживать в них воздух.
   • «Перекатывание шаров» Щёки надуваются поочерёдно.
   • «Худышки». Втягивать щёки при сомкнутых губах и при приоткрытом рте.
   • «Дутьё сквозь губы, вытянутые трубочкой». Напряжение круговой мышцы рта.
2. Дутьё сквозь губы, вытянутые трубочкой.
   • Не надувая щёк, дуть сквозь сближенные и слегка выдвинутые вперёд губы, образующие посередине круглое «окошечко».
   • Сдувать с поднесённой ко рту ладони любой мягкий предмет (ватный шарик, бумажную снежинку и т. д).
   • Дуть на кусочек ваты, привязанные на нитки. Можно дуть снизу вверх на пушинки одуванчика, стараться, чтобы они дольше продержались в воздухе.
   • Дутьё на парусник, салфетку, лист, флюгер и т. п.
   • Дуть на карандаш, лежащий на столе так, чтобы тот покатился (на шестигранные)
   • Задувание свечи.
   • Надувание воздушных шаров, резиновых игрушек.
   • Пускание мыльных пузырей.
   • Дутьё с использованием свистков. Гудков, трубочек, губной гармошки.
   • Гонки по воде бумажных корабликов, целлулоидных игрушек, например, поддувание «рыбок».
   • Детям предлагают поочерёдно дуть на лёгкие игрушки, находящиеся в тазу с водой.
   • Сильно дуть на воду до образования брызг.
   • Можно натянуть горизонтально нитки и к вертикально висящим на ней ниткам привязать лёгких бумажных птичек, бабочек, стрекоз.
   • Дутьё – катание по жёлобку лёгких деревянных или целлулоидных шариков.
3. Дутьё сквозь растянутые в улыбке губы.
   • «Пропеллер» Образовать узкую щель между растянутыми в лёгкой улыбке сближенными губами. Углы рта прижаты к зубам. Струю воздуха, направленную в эту щель, ребёнок рассекает движениями указательного пальца из стороны в сторону. Если щель образована правильно и струя достаточно сильная, звук от рассекаемого пальцем воздуха хорошо слышен.
   • Образовать узкую щель между растянутыми в лёгкой улыбке сближенными губами. Ребёнку предлагают положить между губами широкий кончик языка. Подуть на кончик языка.
   • Образовать узкую щель между растянутыми в лёгкой улыбке сближенными губами. «Пошлёпывать» язык губами, произнеся на выдохе звуки пя-пя-пя.
4. Дутьё на язык.
   • Посередине языка вдоль его переднего края «сделать дорожку» - положить спичку со срезанной головкой и пустить ветерок, сдувая бумажные листочки.
   • Удержав язык широким за верхними зубами, нужно подуть на его кончик. Инструкция: «Улыбнись. Покажи зубы. Держи язык широким наверху. Чувствуешь ветерок? Подуй так ещё раз. Почувствуй, как подую я! » Можно использовать зеркало, чтобы ребёнок видел положение своего языка.
   • Широкий язык положить на нижнюю губу. Края языка свернуть так, чтобы образовался желобок. Легко подуть сквозь желобок.
   • «Сдуй снежинки с горки» Улыбнись. Покажи зубы. Приоткрой рот. Кончик языка удержи за нижними зубами. Приподними язык горкой. Подуй на язык.

В процессе коррекционной работы по формированию воздушной струи важно придерживаться следующих методических рекомендаций.

• Упражнения проводятся в хорошо проветренном помещении.
• Лучше выполнять упражнения стоя, при свободном положении тела в пространстве. Грудная клетка расправлена. Следить за осанкой.
• Обращается внимание на то, чтобы ребёнок производил вдох глубоко и спокойно, через нос. Выдох через рот должен быть лёгким, плавным, без напряжения.
• Следить за точностью направления воздушной струи.
• Кратковременность упражнений (от 30секунд до 1, 5 минут). Гипервентиляция лёгких ведёт к обильному снабжению коры головного мозга кислородом, вследствие чего может возникнуть головокружение.
• Дозированность количества и темпа упражнений. Интенсивное дутьё проводиться не более 5 раз за 1 приём, в течение нескольких секунд.
• Нельзя надувать щёки.
• Выдыхаемый воздух не задерживать. Можно придерживать щёки руками для использования тактильного контроля.
• На начальных этапах можно использовать зеркало для привлечения зрительного контроля.
• Контроль, за выдыхаемой струёй воздуха, осуществляется с помощью ватки, поднесённой ко рту ребёнка: если упражнение выполняется правильно. Ватка будет отклоняться.
• Упражнения могут выполняться под счёт.

Желаем успехов Вам!

В специальных сооружениях строительных комплексов, про­мышленных зданиях нашли широкое применение системы венти­ляции и кондиционирования воздуха. Эффективное функциониро­вание их зависит от способов подачи воздуха потребителям. Как правило, такая подача осуществляется с использованием струй. Целесообразно поэтому выявить основные закономерности течения струй и получить необходимые расчетные выражения.

Воздушные струи представляют собой перемещающиеся в сплошной среде потоки воздуха (газа), имеющие конечные раз­меры. Рассмотрим воздушную струю, вытекающую через отвер­стие (рис. 9.1). По своей форме струя напоминает факел. На границах его с неподвижной воздушной средой развивается множест­во вихрей. При этом массы неподвижного воздуха вовлекаются в движение, следствием чего будет увеличение расхода в струе при удалении от отверстия. Скорости в струе при этом уменьшаются. Необходимо отметить, что границы струи являются как бы раз­мытыми, так как значения скоростей движения у границ неболь­шие. На практике границами поперечных сечений струи считают точки, в которых местные скорости составляют около 1 % от зна­чений осевой скорости движения газа. Граничные контуры струи представляют собой кривые линии незначительной кривизны. Для продольного сечения струи криволинейный граничный контур мож­но аппроксимировать ломаными линиями АСЕ и BDF .

Рис. 9.1

Пусть из отверстия радиусом r 0 вытекает свободная осесим-метричная воздушная струя. В струе выделяют три характерных участка: начальный - 1 , переходный - 2 , основной - 3 . Осью струи является ось абсцисс х. Границы начального и переходного участков обозначены прямыми АС и BD. Соответственно граница­ми основного участка будут линии СЕ и DF. ТочкаМ пересеченияэтих линий находится на оси х и называется полюсом струи, абс­цисса которого X 0 .

Допустим, из отверстия струя вытекает с постоянной ско­ростью v 0 . В начальном участке выделяются две характерные зо­ны: первая - ядро постоянных скоростей и вторая - пограничный слой. Ядро имеет эпюру скоростей в попереч­ном сечении в виде прямоугольника со значениями скоростей v 0 . Площадь поперечного сечения ядра постоянных скоростей по дли­не струи уменьшается. Ядро как бы «выклинивается». Сечение, где исчезает ядро постоянных скоростей, является конечным для на чального участка и имеет абсциссу х H . В пределах пограничного слоя скорости течения изменяются от v 0 до нуля. На рис. 9.1 приведена эпюра скоростей для произвольного сечения с координатой X 1 начального участка. На эпюре видны особенности распределе­ния скоростей, характерные для обеих зон.

Переходный участок ограничен теми же линиями АС и BD, что и начальный участок, но лежит между сечениями с абсциссами х H и х П . Этот участок состоит только из пограничного слоя. В пере­ходном участке формируются поля скоростей, характерные для ос­новного участка. Эпюра скоростей для произвольного сечения с абсциссой х 2 переходного участка приведена на рис. 9.1. В практи­ке обычно длиной переходного участка пренебрегают, заменяя участок одним переходным сечением. При этом сечения с абсцис­сами х H и х П совмещают и ограничиваются использованием только абсциссы х П .

Основной участок струи расположен в границах СЕ и DF. Он также состоит только из пограничного слоя. Характерная эпюра скоростей для произвольного поперечного сечения с абсциссой х 3 представлена на рис. 9.1. Скорости изменяются от максимальной w x на оси до нуля. Границы основного участка наклонены к оси струи под углом 0. Для вентиляционных струй тангенс этого угла tan θ = 0,22. Ранее было отмечено, что, продолжая граничные ли­нии основного участка до осевой линии, можно получить точку пе­ресечения М - полюс струи. Полюс может располагаться как за отверстием, так и до него. Место расположения определяется на­чальной скоростью течения в струе. Классифицируют струи по раз­личным характеризующим признакам.

По особенностям геометрии пространственных форм струи под­разделяются на круглые, плоские, кольцевые и веерные. Круг­лые струи формируются при истечении через отверстия, верти­кальный и горизонтальный размеры которых имеют один порядок. Плоские струи вытекают через отверстия, у которых горизон­тальный и вертикальный размеры отличаются друг от друга на по­рядок и более (истечение через длинные щелевидные отверстия). Применяются также кольцевые и веерные струи . В системах вентиляции встречаются все перечисленные выше струи, однако чаще применяются круглые струи, поэтому в даль­нейшем ограничимся рассмотрением только их.

В зависимости от режима движения газа в струе различают ламинарные и турбулентные струи. Вентиляционные струи всегда бывают турбулентными. Существуют свободные и несвободные струи. Если струя распространяется в среде без помех от стен, колонн и т. д. на всей своей длине, она называ­ется свободной. Свободные струи являются обычно осесимметричными. Контакт струи с какими-либо поверхностями приводит к ис­кажениям геометрических форм ее. Струя в этом случае будет не­свободной. Выделяются затопленные и незатопленные струи. Если вещество струи и среды, куда происходит истечение, одно и то же, то струя является затопленной. Для незатопленных струй вещество струи и среды различно. Вентиляционные струи считаются затопленными.

Различают непрерывные и импульсные струи в зависимости от особенностей течения в струях во времени. Непре­рывные струи представляют собой установившиеся во времени по­токи, параметры их стабильны. В импульсных струях поступление воздуха происходит отдельными порциями. В зависимости от со­отношения скорости звука в газе при данной температуре и скоро­сти течения газа в струе различают дозвуковые и сверх­звуковые струи. Вентиляционные струи являются дозвуковы­ми. Газ в них перемещается со скоростью, много меньшей скоро­сти звука. Воздух, как и любой газ, сжимаем. Плотность его мо­жет значительно изменяться в зависимости от давления. Если вдоль оси струи значения плотности заметно отличаются в различ­ных сечениях, то имеет место струя со сжимаемой сре­дой. Если плотность по длине струи практически постоянная, то имеется струя с несжимаемой средой.

Температура воздуха, вытекающего через отверстие, может от­личаться от температуры окружающей среды. Смешение воздуха среды с имеющимся в струе приводит к изменению температур по длине струи. Следствием такого изменения температур будет переменная по длине струи плотность воздуха. Струя с переменной по длине температурой носит название неизотермической струи. Если температуры воздуха в струе и среде, куда происхо­дит истечение, одинаковы, то имеет место изотермическая струя.

К настоящему времени теория затопленных струй достаточно полно разработана рядом отечественных и зарубежных ученых. Основополагающие результаты получены в работах советских уче­ных Г. Н. Абрамовича, В. Н. Талиева, М. И. Гримитлина и др. Среди зарубежных исследователей необходимо отметить Л. Прандтля, Г. Шлихтинга, В. Толлмина, Т. Трюпеля и др. В настоящей главе по известным из литературы результатам изложены основы теории воздушных турбулентных струй. На основе теории струй разрабатываются конструкции раз­личных воздухораспределяющих устройств, проектируются систе­мы вентиляции.

У твердых тел расстояния между молекулами очень малы и силы взаимного притяжения молекул велики. Молекулы совершают незначительные колебательные движения.

У газообразных веществ расстояния между молекулами значительно больше самих молекул, взаимное притяжение очень мало, молекулы движутся в различных направлениях и с различной скоростью. Энергия всех молекул вместе рассматривается как внутренняя энергия вещества.

Воздух рассматривается как совокупность большого количества молекул, как сплошная среда, в которой отдельные частицы соприкасаются друг с другом. Представление о сплошности среды позволяет существенно упростить исследование жидкости и газа.

Кроме этого в аэродинамике широкое применение нашел принцип обратимости движения. Согласно этому принципу вместо того, чтобы рассматривать движение тела в неподвижной среде, можно рассматривать движение среды относительно неподвижного тела.

Скорость набегающего невозмущенного потока в обращенном движении равна скорости самого тела в неподвижном воздухе.

Аэродинамические силы будут одинаковыми как для тела, движущегося в неподвижном воздухе, так и для неподвижного тела, обтекаемого воздухом, если скорость движения тела относительно воздуха будет одна и та же.

Обращение движения широко применяется при проведении опытов в аэродинамических трубах, а также в теоретических исследованиях, где используется понятие воздушного потока.

Воздушным потоком называется направленное движение хаотически движущихся частиц.

Если в любой точке пространства, занимаемой потоком жидкости или газа, давление, плотность, величина и направление скорости потока с течением времени не изменяются, движение этого потока называется установившимся . Если эти параметры в данной точке пространства с течением времени изменяются, то движение называется неустановившимся .

Существуют различные методы изучения движения жидкостей и газов. Один из них заключается в том, что движение отдельных частиц рассматривают в каждой точке пространства в данной момент времени. При этом исследуются так называемые линии тока.

Линией тока называется линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором скорости в этой точке. Совокупность линий тока заключена в некоторой трубкетока и образует элементарную струйку тока . Каждую выделенную струйку можно представить текущей изолированно от общей массы газа.

Разделение потока на струйки дает наглядное представление о сложном течении газа в пространстве. К отдельной струйке можно применить основные законы движения – сохранения массы и сохранения энергии. При помощи уравнений, выражающих эти законы, можно проводить физический анализ взаимодействия твердого тела с газом (воздухом).

По характеру течения воздушный поток может быть ламинарным и турбулентным.

Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу.

При увеличении скорости частицы воздуха кроме поступательной скорости приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным , т. е. беспорядочным.

Пограничный слой

Пограничным слоем называется тонкий слой заторможенного газа, образующийся на поверхности тел, обтекаемых потоком. Вязкость газа в пограничном слое является основной причиной образования силы лобового сопротивления.

При обтекании какого-либо тела частицы газа, проходящие очень близко от его поверхности, будут испытывать сильное торможение. Начиная от некоторой точки вблизи поверхности скорость потока при приближении к телу уменьшается и на самой поверхности становится равной нулю. Распределение скоростей в других сечениях поверхности аналогично(рис.2.1).

Расстояние R , на котором происходит уменьшение скорости, называется толщиной пограничного слоя, а изменение скорости по толщине пограничного слоя – градиентом скорости.

Рис.2.1 Изменение скорости течения воздуха в пограничном слое

Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от формы тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней части тела, к задней.

На границе пограничного слоя скорость частиц становится равной скорости набегающего потока. Выше этой границы градиента скорости нет, поэтому вязкость газа практически не проявляется.

Таким образом, в пограничном слое скорости частиц изменяются от скорости внешнего потока на “границе” пограничного слоя до нуля на поверхности тела.

Из-за градиента скорости характер движения частиц газа в пограничном слое отличается от их движения в потенциальном слое. В пограничном слое вследствие разности скоростей U 1 -U 2 частицы приходят во вращательное движение (см. рис.2.2).

Вращение тем интенсивнее, чем ближе к поверхности тела находится частица. Пограничный слой всегда завихрен и поэтому его называют слоем поверхностного завихрения.

Рис. 2.2 Обтекание тела воздушным потоком - торможение потока в пограничном слое

Частицы газа из пограничного слоя уносятся потоком в область, распложенную позади обтекаемого тела, называемую спутной струей. Скорости частиц в спутной струе всегда меньше скорости внешнего потока, т.к. частицы попадают из пограничного слоя уже приторможенными.

Виды течения пограничного слоя . При небольшой скорости набегающего потока газ в пограничном слое течет спокойно в виде отдельных слоев. Такой пограничный слой называется ламинарным (рис.2.3,а). Пограничный слой завихрен, но движение газа упорядочено, слои не смешиваются, частицы вращаются в пределах одного и того же тонкого слоя.

Если в пограничном слое происходит энергичное перемешивание частиц в поперечном направлении и весь пограничный слой беспорядочно завихрен, такой пограничный слой называется турбулентным (рис.2,б).

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии. Сопротивление воздушного потока увеличивается.

с)

Рис. 2.3 Ламинарное и турбулентное течение

У передней части обтекаемого тела образуется ламинарный пограничный слой, которой затем переходит в турбулентный. Такой пограничный слой называется смешанным (рис.2.3,с).

При смешанном течении в определенной точке происходит переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Расположение ее на поверхности тела зависит от скорости струек, формы тела и его положения в воздушном потоке, а также от шероховатости поверхности. Положение точки определяется координатой Х с (Рис.2.3,) .

У гладких крыльевых профилей точка перехода обычно лежит на расстоянии, примерно равном 35% от длины хорды.

При создании профилей крыльев конструкторы стремятся отнести эту точку как можно дальше от передней кромки,увеличивая тем самым протяженность ламинарной части пограничного слоя Для этой цели применяют специальные ламиниризированные профили, а также увеличивают гладкость поверхности крыла и ряд других мероприятий.

Отрыв пограничного слоя. При обтекании тела с криволинейной поверхностью давление и скорости в разных точках поверхности будут неодинаковыми (рис. 2.4).При движении потока от точки А к точке Б происходит диффузорное расширение потока.

А Б

Рис. 2.4 Течение в пограничном слое вблизи точки отрыва

Поэтому давление растет а скорость уменьшается, так как у самой поверхности тела скорости частиц очень малы, под влиянием разности давлений между точками А и В на этом участке происходит движение газа в обратном направлении. При этом внешний поток продолжает двигаться вперед.

Из-за обратного течения газа внешний поток оттесняется от поверхности тела. Пограничный слой набухает и отрывается от поверхности тела. Точка на поверхности тела, в которой происходит отрыв пограничного слоя, называется точкой отрыва .

Отрыв пограничного слоя приводит к образованию вихрей за телом. Положение точки отрыва зависит от характера течения в пограничном слое. При турбулентном течении место отрыва потока лежит значительно дальше по потоку, чем при ламинарном. Вихревая область за телом в этом случае значительно меньше. Это парадоксальное явление объясняется тем, что при турбулентном движении происходит более интенсивное поперечное перемешивание частиц.

Отрыв пограничного слоя наблюдается при обтекании криволинейных поверхностей, например профиля крыла на больших углах атаки. Явление это очень опасно, т.к. приводит к резкому уменьшению подъемной силы, значительному возрастанию сопротивления движению потока, потере устойчивости и управляемости самолета, вибрациям.

Явление срыва потока зависит от формы и состояния поверхности тела, характера течения воздуха в пограничном слое. Тела, имеющие вытянутую форму с плавными очертаниями (удобообтекаемые), не подвержены срыву потока в отличие от неудобообтекаемых тел.

Срыв потока может возникнуть в результате нарушения правил эксплуатации самолета: выхода на критические углы атаки, нарушения центровки. При небрежном техническом обслуживании из-за неплотного прилегания крышек лючков, неполного закрытия створок и других причин возникают местные срывы потока. Возникают опасные вибрации частей самолета.

Ламинарный - это воздушный поток, в котором струйки воздуха движутся в одном направлении и параллельны друг другу. При увеличении скорости до определенной величины струйки воздушного потока кроме поступательной скорости также приобретают быстро меняющиеся скорости, перпендикулярные к направлению поступательного движения. Образуется поток, который называется турбулентным, т. е. беспорядочным.

Пограничный слой

Пограничный слой - это слой, в котором скорость воздуха изменяется от нуля до величины, близкой к местной скорости воздушного потока.

При обтекании тела воздушным потоком (Рис. 5) частицы воздуха не скользят по поверхности тела, а тормозятся, и скорость воздуха у поверхности тела становится равной нулю. При удалении от поверхности тела скорость воздуха возрастает от нуля до скорости течения воздушного потока.

Толщина пограничного слоя измеряется в миллиметрах и зависит от вязкости и давления воздуха, от профиля тела, состояния его поверхности и положения тела в воздушном потоке. Толщина пограничного слоя постепенно увеличивается от передней к задней кромке. В пограничном слое характер движения частиц воздуха отличается от характера движения вне его.

Рассмотрим частицу воздуха А (Рис. 6), которая находится между струйками воздуха со скоростями U1 и U2, за счет разности этих скоростей, приложенных к противоположным точкам частицы, она вращается и тем больше, чем ближе находится эта частица к поверхности тела (где разность скоростей наибольшая). При удалении от поверхности тела вращательное движение частицы замедляется и становится равным нулю ввиду равенства скорости воздушного потока и скорости воздуха пограничного слоя.

Позади тела пограничный слой переходит в спутную струю, которая по мере удаления от тела размывается и исчезает. Завихрения в спутной струе попадают на хвостовое оперение самолета и снижают его эффективность, вызывают тряску (явление Бафтинга).

Пограничный слой разделяют на ламинарный и турбулентный (Рис. 7). При установившемся ламинарном течении пограничного слоя проявляются только силы внутреннего трения, обусловленные вязкостью воздуха, поэтому сопротивление воздуха в ламинарном слое мало.

Рис. 5

Рис. 6 Обтекание тела воздушным потоком - торможение потока в пограничном слое

Рис. 7

В турбулентном пограничном слое наблюдается непрерывное перемещение струек воздуха во всех направлениях, что требует большего количества энергии для поддерживания беспорядочного вихревого движения и, как следствие этого, создается большее по величине сопротивление воздушного потока движущемуся телу.

Для определения характера пограничного слоя служит коэффициент Cf. Тело определенной конфигурации имеет свой коэффициент. Так, например, для плоской пластины коэффициент сопротивления ламинарного пограничного слоя равен:

для турбулентного слоя

где Re - число Рейнольдса, выражающее отношение инерционных сил к силам трения и определяющее отношение двух составляющих - профильное сопротивление (сопротивление формы) и сопротивление трения. Число Рейнольдса Re определяется по формуле:

где V - скорость воздушного потока,

I - характер размера тела,

кинетический коэффициент вязкости сил трения воздуха.

При обтекании тела воздушным потоком в определенной точке происходит переход пограничного слоя из ламинарного в турбулентный. Эта точка называется точкой перехода. Расположение ее на поверхности профиля тела зависит от вязкости и давления воздуха, скорости струек воздуха, формы тела и его положения в воздушном потоке, а также от шероховатости поверхности. При создании профилей крыльев конструкторы стремятся отнести эту точку как можно дальше от передней кромки профиля, чем достигается уменьшение сопротивления трения. Для этой цели применяют специальные ламинизированные профили, увеличивают гладкость поверхности крыла и ряд других мероприятий.

При увеличении скорости воздушного потока или увеличении угла положения тела относительно воздушного потока до определенной величины в некоторой точке происходит отрыв пограничного слоя от поверхности, при этом резко уменьшается давление за этой точкой.

В результате того, что у задней кромки тела давление больше чем за точкой отрыва, происходит обратное течение воздуха из зоны большего давления в зону меньшего давления к точке отрыва, которое влечет за собой отрыв воздушного потока от поверхности тела (Рис. 8).

Ламинарный пограничный слой отрывается легче от поверхности тела, чем турбулентный.

Уравнение неразрывности струи воздушного потока

Уравнение неразрывности струи воздушного потока (постоянства расхода воздуха) - это уравнение аэродинамики, вытекающее из основных законов физики - сохранения массы и инерции - и устанавливающее взаимосвязь между плотностью, скоростью и площадью поперечного сечения струи воздушного потока.

Рис. 8

Рис. 9

При рассмотрении его принимают условие, что изучаемый воздух не обладает свойством сжимаемости (Рис. 9).

В струйке переменного сечения через сечение I протекает за определенный промежуток времени секундный объем воздуха, этот объем равен произведению скорости воздушного потока на поперечное сечение F.

Секундный массовый расход воздуха m равен произведению секундного расхода воздуха на плотность р воздушного потока струйки. Согласно закону сохранения энергии, масса воздушного потока струйки m1, протекающего через сечение I (F1), равна массе т2 данного потока, протекающего через сечение II (F2), при условии, если воздушный поток установившийся:

m1=m2=const, (1.7)

m1F1V1=m2F2V2=const. (1.8)

Это выражение и называется уравнением неразрывности струи воздушного потока струйки.

F1V1=F2V2= const. (1.9)

Итак, из формулы видно, что через различные сечения струйки в определенную единицу времени (секунду) проходит одинаковый объем воздуха, но с разными скоростями.

Запишем уравнение (1.9) в следующем виде:

Из формулы видно, что скорость воздушного потока струи обратно пропорциональна площади поперечного сечения струи и наоборот.

Тем самым уравнение неразрывности струи воздушного потока устанавливает взаимосвязь между сечением струи и скоростью при условии, что воздушный поток струи установившийся.

Статическое давление и скоростной напор уравнение Бернулли

воздух самолет аэродинамика

Самолет, находящийся в неподвижном или подвижном относительно него воздушном потоке, испытывает со стороны последнего давление, в первом случае (когда воздушный поток неподвижен) - это статическое давление и во втором случае (когда воздушный поток подвижен) - это динамическое давление, оно чаще называется скоростным напором. Статическое давление в струйке аналогично давлению покоящейся жидкости (вода, газ). Например: вода в трубе, она может находиться в состоянии покоя или движения, в обоих случаях стенки трубы испытывают давление со стороны воды. В случае движения воды давление будет несколько меньше, так как появился скоростной напор.

Согласно закону сохранения энергии, энергия струйки воздушного потока в различных сечениях струйки воздуха есть сумма кинетической энергии потока, потенциальной энергии сил давления, внутренней энергии потока и энергии положения тела. Эта сумма - величина постоянная:

Екин+Ер+Евн+Еп=сопst (1.10)

Кинетическая энергия (Екин) - способность движущегося воздушного потока совершать работу. Она равна

где m - масса воздуха, кгс с2м; V-скорость воздушного потока, м/с. Если вместо массы m подставить массовую плотность воздуха р, то получим формулу для определения скоростного напора q (в кгс/м2)

Потенциальная энергия Ер - способность воздушного потока совершать работу под действием статических сил давления. Она равна (в кгс-м)

где Р - давление воздуха, кгс/м2; F - площадь поперечного сечения струйки воздушного потока, м2; S - путь, пройденный 1 кг воздуха через данное сечение, м; произведение SF называется удельным объемом и обозначается v, подставляя значение удельного объема воздуха в формулу (1.13), получим

Внутренняя энергия Евн - это способность газа совершать работу при изменении его температуры:

где Cv - теплоемкость воздуха при неизменном объеме, кал/кг-град; Т-температура по шкале Кельвина, К; А - термический эквивалент механической работы (кал-кг-м).

Из уравнения видно, что внутренняя энергия воздушного потока прямо пропорциональна его температуре.

Энергия положения En - способность воздуха совершать работу при изменении положения центра тяжести данной массы воздуха при подъеме на определенную высоту и равна

где h - изменение высоты, м.

Ввиду мизерно малых значений разноса центров тяжести масс воздуха по высоте в струйке воздушного потока этой энергией в аэродинамике пренебрегают.

Рассматривая во взаимосвязи все виды энергии применительно к определенным условиям, можно сформулировать закон Бернулли, который устанавливает связь между статическим давлением в струйке воздушного потока и скоростным напором.

Рассмотрим трубу (Рис. 10) переменного диаметра (1, 2, 3), в которой движется воздушный поток. Для измерения давления в рассматриваемых сечениях используют манометры. Анализируя показания манометров, можно сделать заключение, что наименьшее динамическое давление показывает манометр сечения 3-3. Значит, при сужении трубы увеличивается скорость воздушного потока и давление падает.

Рис. 10

Причиной падения давления является то, что воздушный поток не производит никакой работы (трение не учитываем) и поэтому полная энергия воздушного потока остается постоянной. Если считать температуру, плотность и объем воздушного потока в различных сечениях постоянными (T1=T2=T3;р1=р2=р3, V1=V2=V3), то внутреннюю энергию можно не рассматривать.

Значит, в данном случае возможен переход кинетической энергии воздушного потока в потенциальную и наоборот.

Когда скорость воздушного потока увеличивается, то увеличивается и скоростной напор и соответственно кинетическая энергия данного воздушного потока.

Подставим значения из формул (1.11), (1.12), (1.13), (1.14), (1.15) в формулу (1.10), учитывая, что внутренней энергией и энергией положения мы пренебрегаем, преобразуя уравнение (1.10), получим

Это уравнение для любого сечения струйки воздуха пишется следующим образом:

Такой вид уравнения является самым простым математическим уравнением Бернулли и показывает, что сумма статического и динамического давлений для любого сечения струйки установившегося воздушного потока есть величина постоянная. Сжимаемость в данном случае не учитывается. При учете сжимаемости вносятся соответствующие поправки.

Для наглядности закона Бернулли можно провести опыт. Взять два листка бумаги, держа параллельно друг другу на небольшом расстоянии, подуть в промежуток между ними.

Рис. 11

Листы сближаются. Причиной их сближения является то, что с внешней стороны листов давление атмосферное, а в промежутке между ними вследствие наличия скоростного напора воздуха давление уменьшилось и стало меньше атмосферного. Под действием разности давлений листки бумаги прогибаются вовнутрь.

Аэродинамические трубы

Экспериментальная установка для исследования явлений и процессов, сопровождающих обтекание тел потоком газа называется аэродинамической трубой. Принцип действия аэродинамических труб основан на принципе относительности Галилея: вместо движения тела в неподвижной среде изучается обтекание неподвижного тела потоком газа В аэродинамических трубах экспериментально определяются действующие на ЛА аэродинамические силы и моменты исследуются распределения давления и температуры по его поверхности, наблюдается картина обтекания тела, изучается аэроупругость и т д.

Аэродинамические трубы зависимости от диапазона чисел Маха М разделяются на дозвуковые (М=0,15-0,7), трансзвуковые (М=0,7-1 3), сверхзвуковые (М=1,3-5) и гиперзвуковые (М=5-25), по принципу действия - на компрессорные (непрерывного действия), в которых поток воздуха создается спец компрессором, и баллонные с повышенным давлением, по компоновке контура - на замкнутые и незамкнутые.

Компрессорные трубы имеют высокий кпд, они удобны в работе, но требуют создания уникальных компрессоров с большими расходами газа и большой мощности. Баллонные аэродинамические трубы по сравнению с компрессорными менее экономичны, поскольку при дросселировании газа часть энергии теряется. Кроме того, продолжительность работы баллонных аэродинамических труб ограничена запасом газа в баллонах и составляет для различных аэродинамических труб от десятков секунд до несколько минут.

Широкое распространение баллонных аэродинамических труб обусловлено тем, что они проще по конструкции а мощности компрессоров, необходимые для наполнения баллонов, относительно малы. В аэродинамических трубах с замкнутым контуром используется значительная часть кинетической энергии, оставшейся в газовом потоке после его прохождения через рабочую область, что повышает КПД трубы. При этом, однако, приходится увеличивать общие размеры установки.

В дозвуковых аэродинамических трубах исследуются аэродинамические характеристики дозвуковых самолетов вертолетов а также характеристики сверхзвуковых самолетов на взлетно-посадочных режимах. Кроме того, они используются для изучения обтекания автомобилей и др. наземных транспортных средств, зданий, монументов, мостов и др. объектов На рис показана схема дозвуковой аэродинамической трубы с замкнутым контуром.

Рис. 12

1- хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 - конфузор 5 - направление потока 6 - рабочая часть с моделью 7 - диффузор, 8 - колено с поворотными лопатками, 9 - компрессор 10 - воздухоохладитель

Рис. 13

1 - хонейкомб 2 - сетки 3 - форкамера 4 конфузор 5 перфорированная рабочая часть с моделью 6 эжектор 7 диффузор 8 колено с направляющими лопатками 9 выброс воздуха 10 - подвод воздуха от баллонов

Рис. 14

1 - баллон со сжатым воздухом 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - выравнивающие сетки 5 - хонейкомб 6 - детурбулизирующие сетки 7 - форкамера 8 - конфузор 9 - сверхзвуковое сопло 10 - рабочая часть с моделью 11 - сверхзвуковой диффузор 12 - дозвуковой диффузор 13 - выброс в атмосферу

Рис. 15

1 - баллон с высоким давлением 2 - трубопровод 3 - регулирующий дроссель 4 - подогреватель 5 - форкамера с хонейкомбом и сетками 6 - гиперзвуковое осесимметричное сопло 7 - рабочая часть с моделью 8 - гиперзвуковой осесимметричный диффузор 9 - воздухоохладитель 10 - направление потока 11 - подвод воздуха в эжекторы 12 - эжекторы 13 - затворы 14 - вакуумная емкость 15 - дозвуковой диффузор

Пример: Qэл = 10000 Вт; Qпеч = 90000 Вт; Qв = 50000 Вт;

Qогр = 100000 Вт; Qинф = 20000 Вт; Qс. р. = 25000 Вт.

Решение. Для теплого периода уравнение теплового баланса (2.1) примет вид

https://pandia.ru/text/78/162/images/image038.gif" width="388" height="24 src=">

Для холодного периода

Ассимиляция" href="/text/category/assimilyatciya/" rel="bookmark">ассимилировать вентиляцией :

DIV_ADBLOCK99">

Воздушные потоки – струи, образующиеся в помещении, переносят поступающие в воздух вредные выделения и формируют в объеме воздуха помещения поля скоростей, температур и концентраций.

Знание того, как изменяются в струе по мере ее распространения скорости, температуры и концентрации, позволяет проектировать экономичные и эффективные системы вентиляции и воздушного отопления.

Воздушной струей называют направленный поток с конечными поперечными размерами.

В технике вентиляции струи воздуха истекают в помещение, также заполненное воздухом. Такие струи называются затопленными .

Струю называют свободной , если она истекает в достаточно большое пространство и не имеет никаких помех для своего свободного развития. Если на развитие струи ограждающие конструкции помещения оказывают какое-либо воздействие, то такую струю называют несвободной или стесненной.

Струя, истекающая из отверстия, расположенного вблизи какой-либо плоскости (например, потолка помещения), параллельно этой плоскости называется настилающейся .

Различают струи изотермические и неизотермические. В изотермической струе температура во всем ее объеме одинакова и равна температуре окружающего воздуха. В неизотермической струе начальная температура приточного воздуха ниже или выше температуры окружающего воздуха.

В зависимости от гидродинамического режима струя может быть ламинарной или турбулентной. Приточные вентиляционные струи всегда турбулентны.

На перемещение воздуха затрачивается энергия: тепловая, источником которой являются нагретые поверхности, или механическая, источником которой можно считать вентилятор , или сочетание тепловой и механической энергии вместе. Следовательно, по виду энергии, расходуемой на образование струи, различают механические и конвективные струи.

Все приточные струи можно разделить на 2 группы: 1 – с параллельными векторами скоростей истечения; 2 – с векторами скоростей истечения, составляющими между собой некоторой угол.

Конструкция воздухораспределительного устройства, в том числе воздуховыпускного отверстия, определяет форму и направление приточной струи и характер ее развития в помещении.

В зависимости от конструкции воздухораспределителя струи могут быть прямоточными или закрученными.

Прямоточные струи подразделяются на компактные и плоские , у которых векторы скорости на истечении параллельны между собой, а также веерные и конические , у которых векторы скорости на истечении образуют некоторой угол.

Закрученные струи , у которых векторы скорости на истечении складываются из векторов скорости поступательного и вращательного движения, подразделяются на компактные и конические.

Компактные струи образуются при истечении воздуха из отверстий круглой формы или формы, близкой к квадратной.

Струя, истекающая из круглого отверстия, остается осесимметричной по всей длине своего развития (круглая струя). При истечении из квадратного или прямоугольного отверстия струя в начале не будет осесимметричной, но на некотором расстоянии от насадка преобразуется в осесимметричную. При истечении воздуха из круглого отверстия с диффузорами для принудительного расширения образуется также компактная струя, которая будет осесимметрична по всей длине; такую струю называют конической.

Плоские струи образуются при истечении воздуха из щелевых отверстий бесконечной длины (в реальных условиях – при соотношении сторон больше 20).

Струя, истекающая из щелевого отверстия из плоской постепенно трансформируется в эллипсовидную и на расстоянии в круглую (за d усл . принимают корень квадратный из площади щели).

Веерные струи образуются при принудительном увеличении угла раскрытия струи. Различают полные веерные струи, у которых угол раскрытия составляет 360 0 и неполные, у которых этот угол менее 360 0.

Закрученные струи образуются при установке закручивающих устройств в подводящем патрубке воздухораспределителя или при тангенциальном подводе воздуха к воздухораспределителю. Они имеют форму компактной или конической струи.

Независимо от формы, струи, у которых при истечении нет принудительного изменения их направления, на некотором расстоянии от насадка расширяются; угол бокового расширения α = 12025".

Изучение струй проводилось многими исследователями. Наиболее глубокое и полное исследование струй принадлежит, .

Свободная изотермическая струя

Турбулентная струя, как и всякое турбулентное истечение, характеризуется интенсивным поперечным перемещением частиц. Вследствие этого периферийные слои струи подтормаживаются, а слои окружающего неподвижного воздуха, находящиеся вблизи струи, приходят в движение. В результате создается пограничный слой струи, который по направлению течения непрерывно утолщается. Таким образом, размеры струи по течению увеличиваются, масса ее растет, а скорость убывает.

Перенос вихревых масс, обуславливающий изменение скоростей в струе, обуславливает также распределение в струе концентраций (а для неизотермических струй – и температур).

Упрощенная схема свободной турбулентной изотермической струи представлена на рис. 3.1.

Воздух, вытекая из сопла, образует струю с криволинейными границами АВС и ДЕF. В струе различают два участка: начальный АВЕД и основной CBEF. Сечение ВЕ называют переходным сечением.

Границы основного участка ВС и EF при их продолжении пересекаются в точке М, называемой полюсом струи. При равномерном начальном поле скоростей полюс находится в плоскости начала истечения, т. е. х0 ≈ 0. боковой угол расширения основного участка струи α = 12025".

На начальном и основном участках закономерности развития струи различны.

https://pandia.ru/text/78/162/images/image045.gif" width="176" height="63">, (3.1)

где υос – осевая скорость в рассматриваемой точке;

υ0 – начальная скорость;

β0 – поправочный коэффициент на количество движения в

воздуховыпускном сечении. При равномерном поле скоростей

- относительное расстояние, т. е. отношение расстояния от

отверстия х к радиусу отверстия R 0 ; ;

https://pandia.ru/text/78/162/images/image049.gif" width="55" height="52">.

Основываясь на экспериментальных данных, можно принимать следующие значения относительного полюсного расстояния:

Длину начального участка l 0 при равномерном поле скоростей истечения можно определить по формуле

Плоская свободная изотермическая струя

В плоской струе так же, как и в круглой, различают полюсное расстояние, начальный и основной участки.

Понятие полюса плоской струи условно; обычно полюс представляет собой точку; в данном же случае - это прямая линия, образованная пересечением граничных плоскостей основного участка струи.

Относительная осевая скорость воздуха в рассматриваемой точке поперечного сечения струи по теории в обработке.

, (3.3)

где β0 – то же, что в формуле (3.1); β0 = 1;

https://pandia.ru/text/78/162/images/image052.gif" width="63 height=55" height="55">;

Относительное полюсное расстояние, т. е. отношение

полюсного расстояния х0 к полуширине воздуховыпускной

щели В0 ; .

При равномерном поле скоростей истечения =0; β0 =1 длина начального участка

Свободная неизотермическая струя

В неизотермической струе действуют инерционные и гравитационные силы; действие гравитационных сил искривляет струю вверх или вниз (рис.3.2).

https://pandia.ru/text/78/162/images/image056.gif" width="456" height="304">

Рис. 3.2. Искривление неизотермической струи

Характеристикой неизотермической струи служит безразмерный комплекс, предложенный и, называемый критерием Архимеда

, (3.5)

где g – ускорение свободного падения;

R 0 – радиус насадка; для щели принимается половина ширины щели

t 0 и t окр – температура воздуха соответственно в начале струи и в

окружающем пространстве;

Токр – абсолютная температура воздуха в окружающем

пространстве;

υ0 – начальная скорость.

Этот комплекс характеризует соотношение инерционных и гравитационных сил.

В слабо нагретых или слабо охлажденных струях, для которых критерий Архимеда по абсолютному значению меньше 0,0005, влияние гравитационных сил сказывается незначительно, и такие струи развиваются в пространстве без заметного искривления.

Если бы струя, вытекающая из насадка под начальным углом α0 , была изотермическая или слабо нагретая, то ее ось была бы прямолинейна и направлена к горизонту под углом α0 , т. е. была бы представлена линией S. Под действием архимедовой силы струя искривляется, и уравнение оси искривленной оси по теории в обработке имеет вид:

где а – коэффициент, характеризующий начальную турбулентность

струи, принимаемый по экспериментальным данным (табл. 3.1)

Таблица 3.1

Разность температур на оси струи и окружающего воздуха (по)

. (3.6)

Задача 3.1. Воздух в количестве L, м3/ч, со скоростью υо, м/с подается в помещение из воздухораспределителя, создающего компактную струю. Определить величину осевой скорости υос на расстоянии от воздуховыпускающего отверстия х, м, и длину начального участка lо (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Исходные данные к задаче 3.1