Аэродинамические расчёты при проектировании вентиляционных выбросов

Ещё больше расширяется и как бы приподнимается над поверхностью крыши факел от источника, находящегося в обратном потоке наветренной зоны.

Коэффициент заноса для подветренной зоны оказывается еще меньше. Аналогичная картина наблюдается в единой зоне (рис.5.4 б).

Рис. 5.5. Распространение тепла от источника, расположенного перед узким зданием

1 - линейный источник тепла; 2 - модель здания; 3 - граница обратного потока; 4 - граница единой циркуляционной зоны; 5 - рассчитанная осевая линия факела; 6 - измеренные профили избыточной температуры в факеле.

На рис. 5.5. показана картина заноса тепла в единую циркуляционную зону и зону подпора от источника, расположенного перед моделью узкого здания.

Таким образом, коэффициент заноса зависит не только от высоты источника над уровнем крыши, но и от расположения источника относительно границ циркуляционных зон.

5.4.2 Источник примесей расположен в циркуляционной зоне. Накопленные примеси

Когда устье источника находится в пределах наветренной, подветренной или единой циркуляционных зон, примеси сначала интенсивно распространяются в поперечном ветру направлении, затем широким факелом выносятся из зоны.

Рис. 5.6. Схема к определению места расположения фиктивного источника примеси

а - план; б - вид сбоку;

1 - фиктивный источник; 2 - граница факела; 3 - реальный источник; 4 - профиль концентраций; 5 - граница циркуляционной зоны.

Интенсивный поперечный перенос примесей осуществляется циркуляционными потоками, вращающимися в горизонтальной (в области обратного потока) и в вертикальной плоскостях.

На основании результатов изучения качественной картины движения воздушных масс в циркуляционных зонах можно сделать выводы о закономерностях распространения примесей из источника, устье которого находится ниже нулевой линии тока (границы обратного потока). При обтекании ветром здания большой длины ширина факела от источника, расположенного в циркуляционной зоне на оси симметрии здания, не превышает удвоенной длины соответствующей циркуляционной зоны (под границей факела в данном случае подразумевается линия, на которой концентрация равна 1% от концентрации на оси факела). В случае обтекания коротких зданий ширина факела равна длине здания.

С целью учёта влияния циркуляционной зоны на распределение концентраций примесей воспользуемся следующим приёмом. Будем рассматривать некоторый фиктивный источник (рис.5.6 а), расположенный вверх по потоку на таком расстоянии, что ширина факела у отрывной кромки равна длине здания, но не больше удвоенной длины циркуляционной зоны, причем обобщенный коэффициент диффузии Sy равен таковому в области присоединения потока.

При этих условиях расстояние xиy от фиктивного источника до отрывной кромки крыши равно

, 5.22

где - угол раскрытия факела, град.

Если длина здания меньше 2xi, в числитель формулы надо подставить длину здания l.

Распространение примесей в горизонтальном и вертикальном направлениях осуществляется с различной интенсивностью, поэтому фиктивный источник (см. рис. 5.6 б) при рассмотрении вертикальных профилей концентраций следует расположить на ином расстоянии от здания, чем в случае горизонтальных профилей, равном

. 5.23

Как установлено, примеси в циркуляционных зонах накапливаются. Это значит, что в циркуляционной зоне постоянно циркулирует некоторое количество примесей (если интенсивность источника постоянна).

Эти примеси как бы увеличивают интенсивность источника (при рассмотрении загрязнения циркуляционных зон).

Рис. 5.7. Номограмма для определения величины S2, входящей в формулу (5.24)

До последнего времени не было обоснованного определения, что такое накопленные примеси. Например, проф. Никитин В.С. (МИОТ) предлагал складывать концентрацию накопленных примесей с концентрацией в факеле от источника. Проф. Титов В.П. (МИСИ) предложил формулу для расчёта концентраций, в которой накопленные примеси входят в виде дополнительного слагаемого. Однако в обоих случаях нарушается закон сохранения вещества. Кроме того сложение концентраций недопустимо, поскольку противоречит физической сущности процессов диффузии.

В действительности в циркуляционной зоне находится такое количество примесей, которое содержится в объёме факела на отрезке xиy. Факел на этом отрезке как бы укорачивается до длины циркуляционной зоны.

Это количество примесей можно определить по формуле

,

где - количество накопленных примесей;

M - интенсивность источника примесей;

u - расчётная скорость ветра.

Время есть время накопления примесей в циркуляционной зоне.

Допустим, что интенсивность фиктивного источника численно равна количеству накопленных примесей. Тогда интенсивность источника с учётом накопленных примесей можно выразить формулой

,

где - разница между интенсивностью фиктивного и реального источников;

- расстояние от отрывной кромки до рассматриваемого сечения в пределах циркуляционной зоны ( ).

Распределение концентраций в факеле от фиктивного источника может быть описано следующей формулой:

, 5.24

где x - расстояние от соответствующей отрывной кромки здания до рассматриваемого сечения, м;

M - интенсивность источника.

При выводе этой формулы выполнено условие неразрывности

.

Полученная формула позволяет определять осредненные значения концентраций в факеле как в циркуляционной зоне (в обратном потоке), так и за ее пределами (вниз по потоку ветра). Следует иметь в виду, что отсчёт координаты z следует осуществлять от твёрдой подстилающей поверхности вне циркуляционных зон и от поверхности, ограничивающей обратный поток, в пределах циркуляционных зон.

Значения коэффициентов Sy и Sz в формуле (5.20) равны значениям, вычисляемым для сечения, проходящего через конец циркуляционной зоны, если концентрация вычисляется в этой зоне, и вычисляются по формуле (5.4) за пределами зоны. Расчёты могут быть выполнены по номограмме рис. 5.7.

Когда примеси выбрасываются вне пределов обратного потока, для расчета общего загрязнения циркуляционной зоны необходимо найти количество примесей, заносимых в эти зоны, и примесей, накапливающихся в них.

5.4.3 Определение количества вредных веществ, заносимых ветром в циркуляционные зоны у промышленных зданий

В тех случаях, когда устье источника расположено в прямом потоке циркуляционной зоны или вне её, а определяется загрязнение этой же или какой-либо другой циркуляционной зоны, расположенной от источника ниже по потоку ветра, необходимо рассчитать долю примесей, проникающих через границу в объем рассматриваемой зоны. Эта доля зависит от ряда факторов: размеров здания, высоты и места расположения устья источника, характеристик набегающего потока ветра, свойств примесей и условий выпуска их в атмосферу. Вследствие сложности явления и многообразия влияющих факторов эта проблема оставалась до последнего времени неизученной. Например, считалось, что достаточно расположить устья выбросных труб несколько выше границ циркуляционных зон ("аэродинамической тени"), чтобы исключить загрязнение воздуха в этих зонах. Однако исследование картины распространения примесей вблизи обтекаемых ветром зданий показало, что таким способом полностью избежать загрязнения циркуляционных зон нельзя.

В этом разделе приводятся расчетные зависимости и номограммы, необходимые для определения количества примесей, поступающих в циркуляционные зоны от источников, расположенных вне этих зон.

Количество примесей , попадающих в циркуляционную зону в единицу времени, в общем случае равно

= mМ,

где m - коэффициент, показывающий, какая часть выделяемых внешним источником в единицу времени примесей поступает в циркуляционную зону.



Рис. 5.8. К выводу расчетных зависимостей для определения коэффициента m для случаев обтекания ветром широкого (а) и узкого (б) зданий

Для выяснения физической сущности коэффициента m рассмотрим структуру потоков в циркуляционных зонах. На рис. 5.8 показаны границы циркуляционных зон, возникающих при обтекании ветром широкого (рис. 5.8,а) и узкого (рис. 5.8,б) зданий. Во всех этих зонах движение потоков осуществляется сходным образом. Вовлечённый в циркуляционное движение поток ниже линий нулевых горизонтальных скоростей ВР2К, ОР2С и ВР2С движется в направлении, противоположном направлению движения основного потока (обратный поток). На участке ВР2 (ОР2) этот поток поворачивает кверху и начинает двигаться в направлении основного потока, а на участке Р2С (Р2К) вновь поворачивает на 180°. Границы циркуляционных зон ВР1К, ОР1С и ВР1С отделяют вовлеченные в циркуляционное движение массы воздуха от основного потока.

Если устье источника находится вне пределов циркуляционной зоны, то примеси от этого источника могут быть занесены в обратный поток только через участок Р2С (Р2К) линии нулевых скоростей. Поскольку через этот участок проходит то же количество воздуха, что и через сечение Р1Р2 (находящееся посредине циркуляционной зоны), можно считать, что примеси в циркуляционную зону будут занесены участком факела, пересекающим сечение P1P2. Таким образом, коэффициент m характеризует ту часть выделяемых внешним источником примесей, которая проходит через сечение Р1Р2 циркуляционной зоны.

Для определения величины коэффициента m необходимо знать распределение концентраций в сечении факела распространяющихся примесей, совпадающем с сечением P1P2 циркуляционной зоны.

На основании зависимостей, приведенных в разделе 5.2, это распределение можно представить в следующем виде:

(5.25)

где u - расчётная скорость ветра, м/с;

- стандартное отклонение, м;

- нормированная плотность нормального распределения (остальные выражения записываются аналогично);

h - высота трубы над уровнем крыши здания, м;

x,y,z - координаты, м.

В зависимости (5.21) штрихом обозначены производные по у и z выражений, стоящих в скобках. Стандартные отклонения и могут быть определены по следующей зависимости:

, (5.26)

где Sy,z - безразмерные коэффициенты турбулентности, зависящие от координат;

bи - расстояние в плане от оси источника до подветренной кромки здания, м;

хс - длина циркуляционной зоны, м.

Зависимость (5.21) учитывает изменение характеристик потока, возникающее вследствие влияния на него здания. Распределение концентраций примеси в каждом поперечном сечении факела в этом случае отличается от нормального, так как дисперсия зависит от координаты z, и может быть отнесено к типу нормального с переменной дисперсией.

Для определения коэффициента m необходимо разделить на М и проинтегрировать выражение (1) в пределах от 0 до zpp и от l1 до l-l1

(5.27)

После преобразований получим

(5.28)

где ;

- нормированная функция нормального распределения (остальные члены уравнения (4) записываются аналогично);

l -- длина здания в перпендикулярном ветру направлении, м;

l1 -- расстояние от оси источника примесей до наиболее удаленной торцовой стены, м.

Рис. 5.9. Номограмма для определения коэффициента ml

Порядок расчета коэффициента m поясним на примере.

Пример. Определить величину коэффициента m при следующих условиях: расположенное на открытой площадке отдельно стоящее здание простой формы имеет размеры 5(H)?30(b)?50(l) м; относительная толщина вытеснения пограничного слоя набегающего потока ветра равна 0,1; ветровой поток движется в параллельном поперечной оси симметрии здания направлении; точечный источник примесей малой высоты (h=0) расположен на поперечной оси симметрии здания в наветренной циркуляционной зоне на расстоянии 0,5H от наветренной кромки крыши.

1. По формулам или номограммам определим длины наветренной и подветренной циркуляционных зон:

длина наветренной зоны хн при = 0,1 и l/H= 10: хн= 3,5H;

длина подветренной зоны хс при l/H = 10: хс= 3,9 H.

2. Определим коэффициент Sz в сечении потока x=xc/2. Он состоит из трех составляющих: набегающего невозмущенного потока (принимаем равным 0,04, что соответствует условиям эксперимента в аэродинамической трубе); SZK потока, возмущенного в результате срыва с передней кромки крыши здания, и Szc потока, возмущенного срывом с подветренной кромки крыши.

Величину S2zk определим по номограмме рис.5.7 при =0,5; =6-3,5+1,95 = 4,45 и = 3,5: S2zk= l,25?10-2. Величина S2ZC равна при = 1,0; и =3,9: S2zk = 2?10-2.

Полная величина равна:

= 0,16?10-2+ 1,25?10-2 +2?10-2 = 3,41 10-2.

3. По формуле (5.22) определим величину при = 8,75 + 60 - 27,5 + 9,75 = 51; = 0,71-0,185?51= 6,7 м.

4. Вычислим следующие величины:

=50/70=7,46; =25/6,7= 3,73;

=2,5/6,7 = 0,373; = 0.

5. По номограммам рис. 5.9 и 5.10 определим коэффициенты ml и mh.

Коэффициент ml при = 7,46 и = 3,73 близок к единице. Коэффициент mh при =0 и = 0,373 равен 0,29. Полный коэффициент m определяется как произведение коэффициентов ml и mh и равен 0,29.

Если такой же источник расположен на расстоянии 0,5H от подветренной кромки крыши, то коэффициент m будет равен при = 2,5 + 9,75= 12,25; = 0,71?0,185?12,25 = 1,61 м; =2,5/1,61= 1,55; m= 0,88.

За пределами циркуляционной зоны в поперечном сечении факела примесей можно выделить две области: расширенную в поперечном направлении часть факела внизу и более концентрированная часть поверх неё. Для каждой из этих частей следует использовать соответствующие формулы.

5.5 Учёт фонового загрязнения атмосферы

Необходимо далее рассмотреть вопрос о взаимодействии факелов выбросов от нескольких однотипных источников и факелов с фоновым загрязнением атмосферы.

В действующих в настоящее время документах, устанавливающих правила расчёта концентраций вредных веществ в атмосфере и определения предельно допустимых выбросов, указывается на необходимость сложения рассчитываемых значений концентраций с фоновой концентрацией, а также значениями концентраций, возникающих при действии других источников.

Если следовать этому указанию, то в ряде случаев можно получить результаты, противоречащие физическому смыслу. Например, при выбросе в атмосферу вредного вещества с начальной концентрацией, равной фоновой, суммарная концентрация в факеле оказывается больше начальной, чего не монет быть. При решении практических задач, например при проектировании воздухозаборных сооружений приточной вентиляции применение этих указаний может повлечь за собой необходимость принятия дорогостоящих мер по снижению выбросов даже в тех случаях, когда в этом нет необходимости.



Рис. 5.10. Номограмма для определения коэффициента mh

К аналогичному результату можно придти, если рассчитывать концентрацию вредного вещества в факеле, образуемом выбросами из расположенных в ряде одинаковых труб при продольном направлении ветра. Рассчитанная концентрация в факеле за последним по направлению ветра источником оказывается выше, чем начальные концентрации в их устьях, т.е. примесь не рассеивается, а, наоборот, должна концентрироваться.

Однако анализ процесса турбулентного переноса примесей показывает, что фоновую концентрацию или концентрацию в факеле, создаваемом одним из источников, допустимо суммировать только с избыточной концентрацией, создаваемый другим источником. Предположим, что из точечного источника в атмосферу выбрасывается примесь с начальной концентрацией, равной фоновому загрязнению. В этом случае факел не образуется, поскольку отсутствует градиент концентрации в поперечном ветру направлении (избыточная концентрация равны нулю). Количество примесей Mф, мг/с, которое выбрасывается источником, равно

Mф=cфL0,

где L0 _ расход выбрасываемого воздуха, м³/с;

cф _ концентрация, равная фоновой концентрации.

Если начальная концентрация c0 примесей, выбрасываемых из источника, не равна cф, то интенсивность источника M, мг/м³, можно разделить на две части: Mф и Мизб. Тогда

Мизб = М - Мф,

где Мизб _ избыточная над фоновой интенсивность источника, мг/м³.

Подставляя Мизб в формулы, описывающие распределение концентраций в факеле, например в формулу (5.8), получим зависимостъ для расчета избыточных (над фоновой) концентраций cизб, мг/м³:

, (5.22)

где cx _ концентрация примеси на оси факела, рассчитанная без учета фонового загрязнения, мг/м³;

_ плотность распределения концентраций в направлении осей OY и OZ.

Зависимость (5.22) описывает распределение избыточных концентраций примеси в факеле. Можно выделить случаи, когда cx >cф, cx < cф и cx=0. В первом случае поток примеси направлен от оси к периферии факела, в остальных случаях _ из окружающей среды в сторону осевой линии факела (являющейся в данном случае линией наименьших концентраций).

Полная концентрация с, мг/м³, равна сумме избыточной и фоновой концентраций:

c =(cx- cф) + cф. (5.23)

Из зависимости (5.23) следует, что при cx>cф профиль избыточных концентраций в факеле имеет обычную выпуклую форму и накладывается на равномерный профиль фоновой концентрации. Границей факела является изолиния сизб =сф. В других случаях профиль избыточной концентрации имеет вогнутую форму и располагается внутри профиля фоновой концентрации.

Если ряд источников образует факелы, осевые линии которых совпадают (ряд одинаковых труб при направлении ветра вдоль ряда), то концентрация примеси с, мг/м³, в любой точке общего факела может быть рассчитана по формуле

, (5.24)

где n _ число расположенных в ряд одинаковых точечных источников.

Если осевые линии факелов не совпадают, а факелы соприкасаются, то взаимное проникновение примеси из одного факела в другой возможно до тех пор, пока концентрации не сравняются. Дальнейшее расширение факелов следует рассматривать при наличии отражающей поверхности, которой является поверхность равных для обоих факелов концентраций.

Из приведенных зависимостей следует, что в потоке ветра при наличии фонового загрязнения или факелов от других источников может диффундировать только избыточная примесь, поступающая в атмосферу из рассматриваемого источника. В связи с этим наибольшая концентрация примеси в расчетных точках создается не несколькими источниками, а одним наиболее мощным в группе источником. Влияние одного факела примесей на другой проявляется в некотором замедлении темпа продольного уменьшения концентраций в факеле из-за невозможности распространения примеси в сторону больших концентраций в соседних факелах.

На достаточно больших расстоянии от источников факелы примесей сливаются с фоном, увеличивая фоновую концентрацию.

6. Расчет давления ветра на поверхности стен зданий

• При выполнении расчетов естественной вентиляции и инфильтрации воздуха через наружные ограждения, а также ветровых нагрузок на строительные конструкции необходимо знать области повышенного и пониженного давления на поверхностях зданий, возникающие под воздействием ветра. В разделе 2.3 сделан вывод о пропорциональности длины циркуляционной зоны коэффициенту гидравлического сопротивления обтекаемого турбулентным потоком препятствия. Справедливо также обратное утверждение: коэффициент гидравлического сопротивления пропорционален характерному размеру отрывного течения. На основании этого вывода разработаны зависимости для расчёта значений аэродинамических коэффициентов, представленные в таблице 6.1. Поскольку скоростное поле набегающего на здание потока ветра неравномерно, давление на разных участках стен оказывается разным.
• Таблица 6.1
• Зависимости для определения аэродинамических коэффициентов зданий

Наружное ограждение здания	Расчетная формула
	длинные здания короткие здания
Наветренная стена
Крыша широкого здания в пределах наветренной зоны
Крыша узкого здания
Подветренная стена широкого здания
Подветренная стена узкого здания

Ветровая нагрузка на наружные ограждения здания может быть определена по формуле

 н; (6.1)

где - аэродинамический коэффициент;

F-площадь незатененной части наветренной стены здания (в м²);

- осредненный по высоте незатененной части наветренной стены здания динамический напор, определяемый по формуле

, н/м²; (6.2)

- высота незатененной части наветренной стены здания (выше линии нулевых скоростей циркуляционной зоны) (в м);

- плотность воздуха (в кг/м³);

u(z) - вертикальное распределение продольной составляющей скорости ветра, обтекающего застроенную территорию (в м/с).

Давление ветра на любом участке поверхности наружных ограждений здания равно

, н/м². (6.3)

• Поясним ход определения областей повышенного и пониженного давления на примерах.
• Пример 6.1. Два смежных здания, на поверхностях стен которых требуется определить области пониженного и повышенного давления ветра, расположены на застроенной малоэтажными зданиями территории (=15 м) (рис. 4.2,а). Размеры зданий: H1= 22 м, b1= 44 м и l1= 88 м; H2= 44 м, b2=22 м и l2= 44 м. Расстояние между зданиями равно x1= 66 м. Требуется определить границы циркуляционных зон и областей повышенного и пониженного давления ветра на поверхностях стен и крыш обоих зданий.
• Решение.
• 1. Определяем размеры зоны подпора, возникающей при действии ветра на первое здание. Для этого воспользуемся соответствующими номограммами или формулами. По значению =88/22 = 4 находим = 0,73, или = 1,1 H1. Эту величину необходимо умножить на поправку , определяемую по значению = 15/22 - 0,1= 0,582. Поправка равна = 0,37. Окончательно получаем =1,1?0,37 H1=0,407H1= 0,407?22 = 8,96 м. Высота зоны подпора равна: =0,6?0,407? H1= 0,244?22 = 5,37 м.
• 2. Определяем критическое расстояние между зданиями. Для этого находим длины циркуляционных зон за первым и перед вторым зданиями, условно допустив, что они отдельно стоящие. Поскольку не известно, является ли первое здание узким или широким, определяем длину наветренной зоны и путем сравнения с шириной здания устанавливаем тип последнего. Для этого находим значение = 88/22 = 4 (здание длинное). По номограмме рис. 2.8 от этого значения проводим вертикальную линию до пересечения с кривой = 15/22 = 0,683, далее проводим горизонтальную линию до пересечения с осью ординат и находим значение , равное 0,18; тогда xн=1,4H1 = 1,4?22 = 30,8 м.

• Рис. 6.1. Примеры построения границ межкорпусных циркуляционных зон
• а -- первое здание широкое, границы зон пересекаются в межкорпусном пространстве; б -- первое здание узкое, границы зон в межкорпусном пространстве не пересекаются; в -- первое здание широкое, второе здание ниже первого, границы зон не пересекаются; г -- то же, первое здание узкое
• Эта длина меньше ширины первого здания (меньше 44 м), следовательно, здание широкое и у его подветренной стены также возникает циркуляционная зона. Длину подветренной зоны определяем по формуле 2.3. При = 4 находим, что = 67,6 м.
• Определяем длину зоны подпора перед вторым зданием, допустив, что оно отдельно стоящее. Второе здание является коротким, так как = 44/44 = 1 (< 1,41). Длина зоны подпора, определённая по относительной величине = 2?44/44 = 2, равна = 48,47 м. Критическое расстояние между зданиями согласно формуле 2.41 равно =67,6+3?18,5 = 123,1 м. Сопоставив x1кр с фактическим расстоянием между зданиями (x1= 66 м), заключаем, что при действии ветра будет существовать межкорпусная циркуляционная зона.
• 3. Построим границу межкорпусной циркуляционной зоны. Для этого нанесем на схематический чертеж (рис. 6.1, а) контуры смежных зданий и построим границы подветренной циркуляционной зоны за первым по потоку зданием и зоны подпора перед вторым зданием, полагая их отдельно стоящими. При построении этих границ воспользуемся обобщенными кривыми рис. 2.4. При переносе этих кривых на рис. 6.1, а необходимо умножить координаты каждой точки, лежащей на них, на длину соответствующей циркуляционной зоны. Задача упрощается, если чертеж выполнить на прозрачной миллиметровой бумаге, причем размеры зданий отнести к длине той циркуляционной зоны, граница которой строится. Масштаб чертежа должен соответствовать масштабу, в котором выполнены графики рис. 2.4. Тогда для нанесения границы зоны достаточно наложить чертеж на рис. 2.4 так, чтобы совпали точки начала и конца соответствующей циркуляционной зоны, и скопировать границу на чертеж. Одновременно может быть скопирована линия нулевых значений продольной составляющей скорости ветра. Этот способ особенно удобен при построении границы единой циркуляционной зоны.
• На рис. 6.1, а границей подветренной зоны является кривая OMC, а пунктирная линия OC характеризует нулевые значения горизонтальной скорости потока.
• Граница зоны подпора в условиях межкорпусного пространства имеет небольшую кривизну, поэтому без большой погрешности ее можно заменить прямой линией DE, причём длина этой зоны в плане равна утроенной длине зоны подпора, соответствующей отдельно стоящему зданию.
• Из рис. 6.1, а следует, что границы циркуляционных зон пересекаются в межкорпусном пространстве. Расстояние xM от подветренной стены первого здания до точки M пересечения границ, определённое по чертежу рис. 6.1, а, равно 59,4 м. По формулам раздела 2.10 определяем ординату точки присоединения межкорпусной зоны на поверхности наветренной стены второго здания: = 12,42 м.
• Граница межкорпусной циркуляционной зоны от точки O до точки совпадает с границей подветренной зоны, затем вблизи точки M плавно отклоняется кверху и заканчивается в точке .
• Линия нулевых значений продольной составляющей скорости ветра также начинается в точке O (пунктир на рис. 6.1, а) и заканчивается в точке . Сначала она совпадает с линией OC, затем вблизи точки M плавно отклоняется кверху.
• 4. Определяем размеры циркуляционных зон у второго здания. Предварительно выясним, узкое это здание или широкое, для чего по номограмме рис. 2.6 определяем длину наветренной циркуляционной зоны по значениям расчетной высоты Hр второго здания, измеряемой вверх от уровня точки M, и величины параметра в сечении, проходящем через плоскость наветренной стены второго здания.
• Расчетную высоту Hр находим путем измерения на чертеже рис. 6.1, а. Она равна Hр = 0,8 H2= 0,8?44 = 35,2 м. При = 66/67,5 = 0,978 находим = 0,24 = 0,24?67,5 = 16,2 м, или = 16,2/44 H2== 0,368 H2= 0,368/0,8 = 0,46 Hр. Длина второго здания, отнесенная к Hр, равна l2/Hр= 44/35,2=1,25. Пользуясь рис. 2.6, находим длину наветренной зоны xн= 7,8?0,13 Hр = 1,014?35,2 = 35,6м. Сопоставляя длину наветренной зоны с шириной второго здания (b2= 22 м), заключаем, что это здание является узким и при действии ветра около него возникает единая циркуляционная зона.
• 5. По рис. 2.7 определяем длину xc единой циркуляционной зоны второго здания. Второе здание является коротким, поэтому величину xc определяем по величинам = (35,2?2)/44 = 1,6 и = (22?2)/44 = 1. Параметр положим равным нулю. Получаем 2xc/l2= 4,1, или xc =4,1l2/2 = 2,05?44 = 88,4 м. Высота этой зоны равна 0,7l2= 0,7?44 = 30,8 м. Ниже уровня 0,7 H2 циркуляционная зона состоит из потоков, срывающихся с торцевых стен здания, и имеет вертикальную границу, изображающуюся на чертеже вертикальной линией. Построение границ циркуляционных зон, возникающих при обтекании зданий, расположенных за вторым, должно выполняться также, как было показано выше.
• 6. Найденные границы циркуляционных зон позволяют определить области пониженного и повышенного (по сравнению с атмосферным) давления на поверхностях стен и крыш смежных зданий. Поскольку пониженное давление возникает в пределах обратных потоков циркуляционных зон (за исключением зоны подпора), можно заключить, что давление ниже атмосферного будет наблюдаться: на поверхности крыши первого здания в наветренной циркуляционной зоне, на поверхности подветренных стен первого и второго зданий и на поверхности крыши второго здания (на рис. 8, а отрицательное давление обозначено знаком "минус").
• На наветренной стене второго здания пониженное давление может возникнуть только у самого основания (ниже линии нулевых скоростей подветренной циркуляционной зоны). Торцевые стены также будут находиться частью под пониженным давлением (в пределах торцевых циркуляционных зон), частью под давлением, близким к атмосферному.
• Положительное давление (на рис. 6.1, а обозначено знаком "плюс") будет наблюдаться на наветренных стенах первого и второго зданий. Наибольшее значение аэродинамического коэффициента будет наблюдаться в окрестностях точки присоединения межкорпусной зоны.
• Если границы циркуляционных зон в пространстве между зданиями не пересекаются, но x1< x1кр, то граница межкорпусной зоны будет совпадать с границей циркуляционной зоны за первым зданием вплоть до точки присоединения потока на наветренной стене или крыше второго здания. На рис. 6.1, б показаны границы циркуляционных зон, возникающих при обтекании ветром двух смежных зданий, из которых первое узкое и длинное, а второе короткое и высокое, причем расстояние между ними x1 таково, что границы зон не пересекаются. В этом случае граница межкорпусной зоны совпадает с границей единой зоны первого здания. Но линия нулевых скоростей изменяет свое положение и соединяется с границей в точке пересечения последней с наветренной стеной второго здания (в точке ).
• При построении границы единой зоны следует иметь в виду, что предварительно необходимо провести вспомогательную линию OC (см. рис. 6.1, б), соединяющую отрывную кромку крыши и конец зоны. Эта линия является осью абсцисс, на которой строится граница единой зоны.
• Области пониженного и повышенного давлений, возникающие при воздействии ветра на эти здания, обозначены знаками "минус" и"плюс" на рис. 6.1, б. Область пониженного давления на наветренной стене второго здания в этом случае оказывается более обширной, чем в первом случае (см. рис. 6.1, а).
• Если второе здание ниже первого, а расстояние между ними таково, что границы зон не пересекаются, граница межкорпусной зоны полностью совпадает с границей подветренной или единой зоны (см. рис. 6.1, в, г). Но в случае, когда первое здание широкое, длина подветренной зоны становится короче с уменьшением x1. Пример построения границы межкорпусной зоны, возникающей в этих условиях, показан на рис. 6.1, в.
• Области повышенного и пониженного давлений на стенах зданий, изображенных на рис.6.1, в, г, определяются достаточно просто: вся область в пределах межкорпусной зоны находится под пониженным давлением, лишь наветренная стена первого здания будет испытывать повышенное давление. Давление на части крыши второго здания вне пределов циркуляционной зоны будет близко к атмосферному.
• Средние значения аэродинамических коэффициентов могут быть определены по формулам, приведенным в табл. 6.1.
• Высота расположения точки zk, в которой определяется аэродинамический коэффициент (табл. 6.1), отсчитывается от линии нулевых скоростей. Параметр в формулах табл. 6.1 следует определять в сечении потока, проходящем через плоскость наветренной стены здания.
• В целях упрощения вычислений динамический напор может быть вычислен по скорости ветра на уровне 3/4Hр для длинных зданий, на уровне (Hр - 1/4 ) -- на верхнем участке коротких зданий и на уровне точки определения давления на остальной части стены коротких зданий (здесь =0,7l).
• Пример 6.2. Для условий примера 1 нужно определить характерные значения давлений ветра на поверхности наветренных стен зданий. Район застройки -- Московская область. Расчетная скорость ветра u10=4,9 м/с.
• Решение. 1. Определяем давление ветра на наветренной стене первого здания. При ( ) = 15/22 = 0,683 находим аэродинамический коэффициент к = 0,34. Определяем скорость ветра при значении = (0,75?22 +15)/15 = 2,1, f = 0 и = 1,666. По рис. 4.6 находим = 0,325; = 0,221. Скорость ветра равна u = 4,9(0,325/0,221) = 7,21 м/с. Находим давление ветра =0,34?(7,212?1,2)/2 == 10,6 н/м².
• 2. Определяем давление на наветренной стене второго здания в области присоединения потока. Аэродинамический коэффициент при = 16,2/12,42 = 1,3 равен k= 0,21. Определяем скорость ветра на уровне при = (12,42 + 16,2)/16,2 = 1,77 и = (10+16,2)/16,2= 1,61. Параметр равен: = (30,8+ 66)/(44+66)= 0,871.
• На рис. 4.6 находим = 0,304; = 0,27. Вычисляем скорость ветра u = 4,9?(0,304/0,27)= 5,52 м/с. Давление ветра равно P= 0,21?(5,522?1,2/2) = 3,84 н/м².
• 3. При тех же условиях найдем величину давления в верхней части наветренной стены второго здания на высоте 40 м. Аэродинамический коэффициент при = 16,2/40 = 0,405 равен k = 0,42. Скорость ветра определяем по значениям f= 0,871:
• =(44-0,25+16,2)/16,2=3,24 и = 1,61. На рис. 4.6 находим = 0,5 и = 0,27. Скорость ветра равна u= 4,9?0,5/0,27= 18,5 м/с. Вычисляем давление ветра P=0,42(18,52?1,2/2)= 86,2 н/м².
• Представленные на рис. 6.1 примеры построения межкорпусных циркуляционных зон и определения границ областей повышенного и пониженного давления не исчерпывают всех встречающихся в реальных условиях случаев, но разработанная расчетно-графическая методика является достаточно общей и позволяет решать задачи обтекания ветром групп зданий разных размеров (исключение составляют здания с криволинейным фасадом).

7. Мероприятия по снижению загрязнения атмосферы

На основании расчетов загрязнения воздушной среды на промышленных площадках оказывается возможным установить соответствие полученных результатов с предельно допустимыми концентрациями вредных веществ и в случае превышения последних обосновать мероприятия по снижению загрязнения, а именно: определить требуемую эффективность пылегазоочистного оборудования и технико-экономическую целесообразность сочетания обезвреживания выбросов с рассеиванием их естественным путем; предъявить требования к технологическим процессам и оборудованию в отношении сокращения количества и снижения токсичности выбросов; выявить наименее загрязненные места для размещения в них вездухоприёмных сооружений приточной вентиляции; принять меры по повышению надёжности действия выбросных и воздухоприемных устройств в сложных климатических условиях; сформулировать требования к рациональному размещению производственных корпусов на промышленной площадке и приданию им оптимальной формы с целью максимального использования ветровой энергии для проветривания застроенных территорий и др.

Рассчитанные значения концентраций вредных веществ необходимо сопоставить со следующими значениями предельно-допустимых концентраций (ПДК):

а) на территории промышленной площадки у открыто расположенного технологического оборудования с постоянными рабочими местами _ с ЦДК в воздухе рабочей зоны;

б) то же в местах размещения воздухоприемных сооружений промышленной вентиляции и кондиционирования воздуха _ с 0,3?ЦДК в воздухе рабочей зоны.

В тех случаях, когда рассчитанные концентрации вредных веществ превышают допустимый уровень загрязнения атмосферы, необходимо установить нормативы предельно допустимых выбросов при наиболее неблагоприятных условиях рассеяния. Эти нормативы можно рассчитать по формулам, описывающим распределение концентраций. При этом в них вместо искомой концентрации с необходимо подставить предельно допустимые концентрации вредных веществ. Искомой величиной является интенсивность источника М, которая в данном случае является предельно допустимым выбросом (ПДВ).

Основным мероприятием, направленным на снижение загрязнения атмосферы, является очистка выбросов от вредных веществ в различных аппаратах. Необходимую эффективность аппарата можно вычислить по формуле:

, (7.1)

где М _ валовой выброс вещества из источника, мг/с.

Если эффективность одноступенчатого аппарата окажется недостаточной, необходимая эффективность аппаратов второй и третьей ступеней вычисляется по формулам:

ветер здание выбросы вентиляционный

. (7.2)

Наряду с очисткой выбросов целесообразно предусматривать другие меры, способствующие снижению валовых выбросов и улучшающих условия проветривания застроенных территорий. Совершенствование технологических процессов и оборудования, замена токсичного сырья менее токсичным может существенно снизить загрязнение атмосферы. Мероприятия архитектурно-планировочного характера могут способствовать интенсификации процесса рассеяния выбросов. С этой целью при конструировании зданий и сооружений целесообразно предусматривать максимальное упрощение формы в плане и разрезе; сокращение до минимума поверхностей наружных ограждений на единицу площади (объема) здания; членение внутреннего пространства зданий на крупные помещения цехов с однородными микроклиматическими условиями; блокирование зданий. При выборе этажности застройки промышленной территории преимущество следует отдавать двух- и многоэтажным зданиям.

Здания, образующие полузамкнутые дворы, следует располагать длинной стороной параллельно преобладающему направлению ветра, при этом открытая сторона двора должна быть обращена на наветренную сторону. В части здания, замыкающей двор, необходимо предусматривать сквозной проем для проветривания шириной не менее 4 м и высотой не менее 4,5 м.

Выброс в атмосферу загрязненного воздуха после очистных сооружений следует предусматривать, как правило, выше границ циркуляционных зон, возникающих при воздействии ветра на здания, с помощью труб увеличенной высоты или высокоскоростными струями ("факельный выброс"). Трубы и шахты не должны иметь зонтов, флюгарок и т.п. Дефлекторы следует размещать на хорошо проветриваемых участках крыш (при разных направлениях ветра). Не следует предусматривать выброс воздуха в зоны положительного давления, создаваемые ветром при обтекании зданий и их конструктивных элементов.

Необходимо исключать прямое попадание факелов выбросов в воздухоприемные сооружения приточной вентиляции путем обоснованного расчетами выбора высоты трубы и начальных параметров струи, а также мест взаимного расположения источников выбросов и воздухоприёмных сооружений.

В ряде случаев, когда отсутствуют возможности выбора вариантов, могут оказаться полезными устройства, интенсифицирующие процесс рассеяния примесей. К таким устройствам относятся, например, щиты специальной конструкции по А.с. №628382 (В.Т. Самсонов), благодаря которым в процесс рассеяния вовлекаются большие массы воздуха и концентрация вредного вещества падает в продольном ветру направлении в десятки раз быстрее, чем в отсутствии таких щитов.

На промышленных предприятиях, расположенных в местностях с обильными снегопадами и метелями, выбросные и воздухоприемные сооружения промышленной вентиляции при нерациональном их проектировании могут заноситься снегом, оледеневать и вследствие этого выходить из строя. Для обеспечения надежной работы этих устройств необходимо на стадии проектирования предусматривать соответствующие меры. Одной из наиболее эффективных мер устранения опасности заносов снегом концевых устройств систем промышленной вентиляции является размещение их на хорошо проветриваемых участках крыш и территорий между зданиями, определяемых расчетами по приведенным методикам.

В главе СНиП по отоплению, вентиляции и кондиционированию в качестве одной из мер предотвращения заносов требуется низ отверстий воздухоприемных устройств размещать на высоте более 1 м от уровня устойчивого снегового покрова, определяемого по данным Госкомгидромета РФ или по расчету. Однако методик расчета уровня снегового покрова нет, а данные Госкомгидромета РФ относятся к полевым условиям и не могут характеризовать отложения снега на застроенной территории.

Снег переносится ветром при скорости более 5 м/с. Если возникает местное снижение скорости ветра, например, за каким либо препятствием, то может происходить частичное или полное выпадение снега из ветрового потока и образование снежных отложений. Промышленные здания и сооружения существенно снижают скорость полевого ветра, поэтому уровень снежных отложений на промышленных площадках может в несколько раз превышать уровень устойчивого снежного покрова на открытой территории. В общем случае расположение и размеры зон вероятного отложения снега зависят от размеров и конструктивных особенностей зданий и сооружений, их взаимного расположения, превалирующего направления снегопереноса, рельефа местности. Но в любом случае границы зон повышенного отложения снега связаны с границами циркуляционных зон, возникающих при обтекании ветром промышленных зданий и их выступающих или западающих конструктивных элементов. От типа циркуляционной зоны зависит интенсивность выпадения снега из потока ветра. На различных участках одной и той же циркуляционной зоны снег выпадает с разной интенсивностью.

В обратном потоке циркуляционных зон, примыкающем к подветренной стене препятствия, можно выделить три участка: участок присоединения потока, характеризующийся малыми значениями продольной скорости, участок развитого течения, на котором горизонтальная скорость составляет 30_40% от скорости над границей зоны, и пристенный участок, характеризующийся сложным трехмерным циркуляционным течением (с восходящими потоками). Последний участок можно рассматривать как своего рода зону подпора в пределах обратного потока.

Если бы снеговетровой поток имел постоянное в течение зимы направление, например, перпендикулярное длинной стене здания, то снег постепенно заполнил бы весь объем обратных потоков циркуляционных зон и обтекание препятствия стало бы безотрывным. Но ветер обычно меняет свое направление, следовательно, меняются типы и границы циркуляционных зон вблизи одного и того же препятствия. Поэтому ранее отложившийся снег при смене направления ветра может быть вынесен. В связи с этим, можно выделить зоны устойчивого и неустойчивого отложения снега. К устойчивым относятся зоны подпора (в том числе находящиеся в пределах обратных потоков единых и подветренных зон) и некоторые сложные циркуляционные зоны, которые при смене направления ветра на противоположное практически не меняют положение своих границ.

Циркуляционные зоны, примыкающие к подветренным стенам, представляют собой (в плане) два вихря, вращающихся в противоположные стороны, причем в области соприкосновения этих вихрей поток движется к зданию и вблизи стены разветвляется и направляется в стороны торцов здания. В области ветвления потока скорость движения наименьшая, поэтому здесь уровень снежных отложений наибольший (в ряде случаев может достигать 5 м и более).

Можно заключить, что наиболее предпочтительными участками для размещения воздухоприемных устройств являются участки вблизи торцов здания. Тем не менее, вероятность заноса снегом этих устройств остается довольно большой, поэтому необходимо предусматривать регулярную очистку от снега территории в местах размещения воздухоприемных устройств или располагать их на высоте более 5 м.

Часто воздухоприемные устройства размещают на крышах зданий наряду с выбросными устройствами. В этих условиях опасность выхода из строя вентиляционных устройств из-за заносов и оледенений возрастает.

С точки зрения снижения снежных отложений здания должны иметь простую форму с односкатными или двускатными крышами с углом наклона 10_15?. Но объемно-планировочное решение промышленного здания определяется прежде всего его функцией, то есть технологическим процессом, а также климатическими условиями местности, на которой оно размещается. Многие технологические схемы не вписываются в здания простой формы, а блокирование приводит к тому, что здания приобретают сложную форму с многочисленными перепадами высот, с западающими и выступающими конструктивными элементами крыш. У каждого излома профиля здания происходит отрыв пограничного слоя ветра и возникновение циркуляционных зон, которые, взаимодействуя между собой, образуют сложные циркуляционные течения. Сложность аэродинамической картины обусловливается тем, что многочисленные отрывные кромки располагаются на разных уровнях, что приводит к разнообразным комбинациям взаимодействующих циркуляционных зон с пониженными скоростями воздушных потоков. Снегомерные съемки и визуальные наблюдения показывают, что снежные отложения особенно часто возникают на кровлях, имеющих фонари, надстройки, ендовы, фронтоны, парапеты и перепады высот (уступы) с подветренной стороны. Наличие на крыше выбросов, имеющих более высокую температуру и относительную влажность, чем окружающая атмосфера, приводит к выпадению конденсирующейся влаги и образованию оледеневшего снежного покрова, не поддающегося выдуванию ветром.

Практическим правилом, которым следует руководствоваться при проектировании выбросов и воздухозаборов, является следующее: выбросные и воздухоприемные отверстия необходимо располагать на высоте, превышающей границы обратных потоков циркуляционных зон, либо размещать эти устройства на хорошо продуваемых участках крыш. Восстановление скорости ветра, заторможенного препятствием, происходит на расстоянии около двух длин циркуляционной зоны, поэтому продуваемые участки находятся за пределами этого расстояния, определяемого при различных направлениях ветра.

Наименее подверженными влиянию погодных факторов можно считать воздухозаборные галереи, располагаемые поперек здания на крыше или встраиваемые в верхний этаж здания. Галерея должна иметь длину от наветренной до подветренной стены, воздухоприемные отверстия следует располагать на торцах. Достоинством этой конструкции наряду с отсутствием снегозаносимости является исключение переноса выбросов загрязненного воздуха к воздухоприемным отверстиям.

Заключение

В заключение следует заметить, что использованные при разработке настоящих методик материалы опубликованы автором в статьях, докладах и в виде ведомственных нормативных документов, которыми в случае необходимости можно воспользоваться.

Все замечания и предложения будут приняты с благодарностью и учтены.

Рекомендуемая литература

1. Методические указания по расчёту концентраций вредных веществ в атмосфере предприятий тракторного и сельскохозяйственного машиностроения, застраиваемых зданиями разной высоты и формы. - ВЦНИИОТ ВЦСПС, М., 1981. Согласованы Минздравом СССР 19. 11.1979 г, утверждены Минтракторосельхозмаш`ем 20.11.1979 г. Разработал Самсонов В.Т.

2. Методические рекомендации по рациональному размещению воздухоприёмных и выбросных сооружений промышленной вентиляции на предприятиях Северной строительно-климатической зоны. _ ВЦНИИОТ ВЦСПС, М., 1983 г. Утверждены Минчермет`ом СССР 7.09.1982 г. Разработал Самсонов В.Т.

3. Метод расчёта концентраций вредных веществ в атмосфере промышленных площадок от низких источников с учётом особенностей объёмно-планировочных решений зданий для условий Северной строительно-климатической зоны. _ ВЦНИИОТ ВЦСПС, М., 1985 г. Утверждены Минчермет`ом СССР 5.07.1985 г. Разработал Самсонов В.Т.

4. прямая ссылка

http://nukeuploads.com/download/1223894202/Q1BV12SMT2CETZZ/Aerodynamics.pdf.html

СНиП 2.04.05-86. Отопление, вентиляция и кондиционирование / Госстрой СССР -- М.:ЦИТП Госстроя СССР, 1988. - 64 с.

5. http://sam-vl.narod.ru/Aerodynamics/Aerodynamicsw.htm - _ftnref3А.С. Монин, А.М. Яглом. Статистическая гидромеханика: механика турбулентности. М., "Наука", 1967

6. http://sam-vl.narod.ru/Aerodynamics/Aerodynamicsw.htm - _ftnref4А.А. Гухман. Применение теории подобия к исследованию процессов тепло--массообмена. М., "Высшая школа", 1974

Размещено на Allbest.ru

...