Politechnika Śląska

Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki

Katedra Ogrzewnictwa, Wentylacji i Techniki Odpylania

SPRAWOZDANIE
Z LABORATORIUM Z PRZEDMIOTU

OGRZEWNICTWO, WENTYLACJA I KLIMATYZACJA

Badanie strugi swobodnej

Wstęp teoretyczny

Właściwy dobór nawiewników ma bardzo duży wpływ na działanie wentylacji i klimatyzacji. Efektem ich oddziaływania na powietrze
w pomieszczeniu powinna być wymiana powietrza zapewniająca
w strefie przebywania ludzi jego dobrą jakość. Uzyskanie właściwych efektów wymiany powietrza wymaga:

• Dobrania odpowiednich nawiewników oraz ich usytuowania,

• Odpowiedniego rozmieszczenia otworów nawiewnych w stosunku do źródeł ciepła oraz strefy przebywania ludzi,

• Nadania strugom powietrza nawiewanego kierunku i prędkości, zapewniających efektywne przepłukanie strefy przebywania ludzi powietrzem wentylacyjnym.

Kształt strugi zależy od kształtu otworu oraz jego uzbrojenia
w łopatki. Struga sturbulizowana szybciej się miesza z otoczeniem, jednak ma mniejszy zasięg. Natomiast struga, która wypływa z dyszy nieuzbrojonej ma długi zasięg, ale gorzej się miesza z otaczającym powietrzem.

Budowa strugi:

1. strefa - początkowa - z rdzeniem strugi (jądro). Ma kształt smukłej paraboli o długości 3 - 4 średnic otworu wylotowego.
   Prędkość w obszarze rdzenia jest równa średniej prędkości wylotowej Wo.

Wektory prędkości w rdzeniu są równoległe. Na skraju rdzenia prędkość spada do prędkości zamierania (otoczenia).

2. strefa - przejściowa - turbulentne mieszanie się strugi z powietrzem
   z pomieszczenia. Prędkość maleje proporcjonalnie do
   .

3. strefa - główna - strefa samopodobieństwa przepływu. Jej zasięg wynosi 40 - 50 średnic otworu wlotowego. Prędkości mogą być duże, ale w miarę oddalania się, prędkość strugi maleje, a rozkład tej prędkości dobrze ilustruje rozkład krzywej błędów Gaussa.

Zastosowane wzory

Krzywa Gaussa:

gdzie:

Wx - prędkość w dowolnym punkcie strugi i w dowolnym przekroju,

Wxm - maksymalna prędkość zmierzona w przekroju strugi,

R - szerokość profilu w danym przekroju,

r - wyraża się wzorem:

gdzie:

- odległość biegunowa,

- odległość biegunowa,

- położenie na osi x od punktu
,

- położenie na osi y od punktu
.

Równanie można opisać teoretycznym równaniem wynikającym z modelu strugi swobodnej przez punktowe źródło pędu:

gdzie:

Wx - prędkość w dowolnym punkcie strugi i w dowolnym przekroju,

- odległość biegunowa,

- położenie na osi x od punktu
,

r - wyraża się wzorem:

gdzie:

- odległość biegunowa,

- odległość biegunowa,

- położenie na osi x od punktu
,

- położenie na osi y od punktu
.

Wxm- wyraża się wzorem:

gdzie:

- odległość biegunowa,

- położenie na osi x od punktu
,

- współczynnik mieszania strugi z powietrzem z otoczenia,

- wyraża się wzorem:

gdzie:

- strumień objętości,

- powierzchnia.

Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było wyznaczenie profilu prędkości strugi na podstawie pomiarów (
) w jej przekroju poprzecznym.

Przebieg ćwiczenia

Po zapoznaniu się ze stanowiskiem pomiarowym włączono wentylator

nawiewiewny i odczekano aż ustalą się parametry wypływającej strugi. Następnie przystąpiono do pomiaru prędkości strugi.

Pomiaru dokonywano za pomocą sond pomiarowych umieszczonych w odległości około 1 m od wylotu strugi. Po każdym pomiarze przesuwano sondy- co 4 cm w płaszczyźnie pionowej, a następnie w poziomej.

W ten sposób powstała siatka profilu prędkości. Każdy pomiar trwał około 3 min. Było to spowodowane ustalaniem się prędkości strugi oraz temperatury na czujniku.

Stanowisko pomiarowe

Ćwiczenie przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym do badania strugi.

Schemat stanowiska przedstawiono na poniższym rysunku:

Układ czujników:

Czujniki oddalone są od siebie o 8 cm.

Wyniki pomiarów i obliczeń

Z	Y	W	r	Wapr	błąd	r1	W1
-2	4	2,64	1,156685	2,5722328	0,004592	0	2,665076
-4	4	2,537	1,982969	2,401325	0,018408	0,5	2,647476
-4	2	2,443	1,877272	2,4274323	0,000242	1	2,595372
0	4	2,43	2,596859	2,2289017	0,040441	1,5	2,510802
0	2	2,359	2,517074	2,2531344	0,011208	2	2,397012
-2	0	2,108	2,919228	2,1262971	0,000335	2,5	2,258255
-4	4	2,099	1,982969	2,401325	0,0914	3	2,099525
0	0	1,957	3,731976	1,8424877	0,013113	3,5	1,926256
-4	0	1,931	3,334087	1,9850188	0,002918	4	1,744023
0	6	1,801	3,892517	1,7836763	0,0003	4,5	1,558244
0	0	1,743	3,731976	1,8424877	0,009898	5	1,373927
0	0	1,688	3,731976	1,8424877	0,023866	5,5	1,195465
2	4	1,573	4,488812	1,5624023	0,000112	6	1,026492
-6	0	1,514	4,65944	1,4990862	0,000222	6,5	0,869799
-4	-2	1,328	5,16799	1,313117	0,000222	7	0,727323
0	-2	1,23	5,433197	1,2188307	0,000125	7,5	0,60018
0	8	1,121	5,617803	1,1546823	0,001134	8	0,488742
0	8	1,025	5,617803	1,1546823	0,016817	8,5	0,392757
-8	0	1,004	6,348592	0,9158196	0,007776	9	0,311468
-8	0	0,883	6,348592	0,9158196	0,001077	9,5	0,243751
4	4	0,784	6,446331	0,8859641	0,010397	10	0,188246
-2	-4	0,739	6,906943	0,7527017	0,000188	10,5	0,143466
-4	-4	0,716	7,092257	0,7026896	0,000177	11	0,107899
-4	-4	0,681	7,092257	0,7026896	0,00047	11,5	0,080082
0	-4	0,615	7,287772	0,6522341	0,001386	12	0,058653
0	10	0,603	7,481158	0,6046865	2,84E-06	12,5	0,042393
-10	0	0,463	8,179173	0,4526	0,000108	13	0,030238
2	-4	0,435	8,155818	0,4571992	0,000493	13,5	0,021283
-12	4	0,361	9,711289	0,2188904	0,020195	14	0,014784
0	12	0,286	9,400837	0,2561647	0,00089	14,5	0,010134
0	-6	0,286	9,203456	0,2823482	1,33E-05	15	0,006855
-2	12	0,276	9,108786	0,2956233	0,000385	15,5	0,004576
-4	12	0,248	9,250093	0,2759811	0,000783	16	0,003014
-12	2	0,233	9,690259	0,2212702	0,000138	16,5	0,00196
-12	-2	0,231	10,82059	0,1196959	0,012389	17	0,001257
2	-12	0,224	15,52048	0,0044994	0,04818	17,5	0,000796
4	-4	0,22	9,376733	0,259256	0,001541	18	0,000497
-12	0	0,197	10,07438	0,1809425	0,000258	18,5	0,000307
8	0	0,172	10,74945	0,1246638	0,002241	19	0,000186
0	-8	0,168	11,14879	0,0988753	0,004778	19,5	0,000112
-12	-4	0,143	11,86074	0,064053	0,006233	20	6,63E-05
-14	0	0,141	12,00364	0,0585178	0,006803	20,5	3,88E-05
0	14	0,14	11,34829	0,0877869	0,002726	21	2,24E-05
0	-8	0,138	11,14879	0,0988753	0,001531	21,5	1,27E-05
4	12	0,128	11,09897	0,1018227	0,000685	22	7,16E-06
12	-4	0,111	15,92313	0,0032169	0,011617	22,5	3,97E-06
0	16	0,11	13,31134	0,0243367	0,007338	23	2,17E-06
12	-2	0,11	15,16424	0,0060114	0,010814	23,5	1,17E-06
2	-12	0,107	15,52048	0,0044994	0,010506	24	6,25E-07
0	-10	0,107	13,11059	0,0280099	0,006239	24,5	3,29E-07
14	0	0,105	16,60626	0,0017851	0,010653	25	1,71E-07
12	4	0,104	14,39369	0,0109932	0,00865	25,5	8,74E-08
0	-14	0,103	17,06082	0,0011899	0,010365	26	4,42E-08

Do obliczeń parametrów
,
, R,
wykorzystano arkusz kalkulacyjny Excel oraz wbudowaną funkcje SOLVER. Parametry te odpowiednio wynoszą:

zo	-2,35144
yo	2,897996
Wxm	2,665076
R	6,142676

- wartość ta powinna być minimalna

Na podstawie tabeli pomiarowej wykonano wykres:

Wnioski

Podczas wykonywania ćwiczenia warunki strugi były stabilne.

Rozkład strugi został przedstawiony na wykresie. Prędkość pokrywa się z rozkładem krzywej błędów Gaussa. Odrzucono pomiary poniżej 10% maksymalnej wartości prędkości, ponieważ były to bardzo małe wartości i nie miały wpływu na wynik.

Poniżej przedstawiono parametry otrzymane za pomocą programu SOLVER:

• odległość biegunowa
  =-2,35144,

• odległość biegunowa
  =2,897996,

• obliczeniowa prędkość maksymalna
  =2,665076,

• szerokość profilu w danym przekroju R=6,142676.

4

---