Ветровые перепады давления в бане

Вентиляция за счёт ветрового напора описывается упрощённым уравнением Бернулли рт = р + ρV²/2, где рт — давление торможения. Ветровой напор (рт - р) равен 0,6 Па при скорости ветра 1 м/сек (штиль); равен 15 Па при скорости ветра 10 м/сек (сильный ветер); равен 540 Па при скорости ветра 30 м/сек (ураган).

Уравнение Бернулли означает, что идеальная (безвязкостная) жидкость (газ) может ускоряться (тормозиться) только за счёт снижения (повышения) своего статического давления. Так, при течении жидкости (газа) по трубе статическое давление в местах сужения уменьшается (поскольку увеличивается скорость), а затем при расширении трубы до прежнего диаметра возвращается на прежний уровень (рис. 43а). 

В частности, этот эффект используется в пульверизаторах (рис. 44).

Рис. 43. Иллюстрированные пояснения законов Бернулли и механизмов возникновения турбулентности
Рис. 43. Иллюстрированные пояснения законов Бернулли и механизмов возникновения турбулентности: 1 — труба с заужением, в которой жидкость (газ) ускоряется со скорости V1 до скорости V2; 2 — барометрические трубки, измеряющие статическое давление р1 (до зауживания), р2 (в месте зауживания), р3 (после зауживания); 3 — пробные (умозрительные) каналы, по течению жидкости (газа) в которых можно судить о распределении статических давлений и о возможности возникновения вихрей, переносящих жидкость (газ) вперёд и назад по потоку (аналогичные пробные каналы изображены пунктиром внутри обтекаемого тела на рис. в и г); 4 — микроциркуляционные движения газа из расширяющихся зон с пониженной скоростью течения и повышенным давлением в зоны с повышенной скоростью течения и пониженным давлением; 5 — пульсационные движения газа, возникающие при появлении зон с повышенной и пониженной скоростью течения; 6 — манометры; 7 — обтекаемое тело в ламинарном потоке газа, 8 - плохообтекаемое тело с турбулизацией потока газа.
Рис. 44. Практические следствия закона Бернулли
Рис. 44. Практические следствия закона Бернулли: а) — пульверизатор создаёт нулевую скорость газа у поверхности воды V2 и повышенную скорость газа в сопле V3, вследствие чего в трубке возникает перепад давления и появляется поток жидкости к соплу; б) жидкость у дна сосуда, сжатая собственным весом до давления р = ρgh, вырывается из отверстия со скоростью V = (2р/ρ)1/2 = (2gh)1/2 и образует фонтан высотой в точности до поверхности воды в сосуде (при отсутствии вязкости).

 Если мысленно соединить отдельные части трубы 1 (рис. 43а) пробными трубочками — каналами 3, то станет ясно, что возможно образование упорядоченных движений газа навстречу по потоку (вихрей). Действительно, турбулентность (образование вихрей) является характерной чертой идеальной жидкости (газа): если в потоке возникают флуктуации скорости (расширения трубок тока), то автоматически возникают вихри и пульсации (рис. 43б). 

Аналогичная картина возникает и при обтекании тела потоком жидкости (газа). Если тело обтекаемое, то при малых скоростях потока течение не только ламинарно (то есть нетурбулентно), но и симметрично: в «носике» — плавно смыкается так, что давление впереди и сзади равно, и аэродинамическое сопротивление отсутствует (очень мало) (рис. 43в). Но и в этом случае, мысленно «рисуя» внутри тела трубочки каналы, можно убедиться, что газ из «хвоста» вполне может стремиться двигаться вперёд в зону пониженных давлений (повышенных скоростей потока), возникающих из-за обтекания тела. Склонность к вихреобразованию отчётливо проявляется при ухудшении обтекаемости тела и при увеличении скорости обтекания, когда в «хвосте» образуется зона вихрей — турбулентный след (рис. 43г). В вихревой зоне газ движется в вихрях с большой скоростью, вследствие чего статическое давление в «хвосте» уменьшается. И хотя эта вихревая зона «засасывает» в себя воздух, давление в ней мало именно из за вихрей. Именно из-за турбулентности в «хвосте» возникает аэродинамическое сопротивление (перепад давлений в «носике» и в «хвосте» Δр = р1 - р3). 

Таким образом, если в идеальном газе где-то возникает повышенная скорость течения, то газ тотчас устремляется в эту зону, ещё больше увеличивая скорость течения (то есть образуется вихрь). Но идеальных газов не бывает, любой газ обладает пусть низкой, но вполне отличной от нуля вязкостью (см. раздел 3). Основополагающим понятием является число Рейнольдса Re = ρVa / μ = Va / ν, где ρ — плотность газа, V — скорость движения газа ν и μ = ν.ρ — кинематическая и динамическая вязкость газа, а - характерный поперечный размер препятствия или трубы. При больших числах Рейнольдса преобладают свойства идеальной жидкости, то есть преобладают инерционные силы, взвихривающие поток. При малых числах Рейнольдса преобладают силы вязкости, гасящие вихревые движения.

В трубах турбулизация наступает при числах Рейнольдса более 2200. При обтеканиях же тел (препятствий) искажения ламинарности потока появляются при Re = 1-10, турбулентный след образуется при Re > 20, при Re > 500 возникают пульсации турбулентного слоя (пытающегося «вылезти» на боковую часть тела), при Re > 300000 воздух полностью турбулизуется за всем телом.

Для воздуха ν = 0,14 см²/сек и поэтому Re = 7•Va, где V — скорость потока воздуха в см/сек, а — поперечный размер трубы или препятствия в см. То есть при характерном размере здания бани а = 300 см и скорости ветра 100 см/сек число Рейнольдса составляет 2•10⁵, то есть воздух за зданием бани заведомо турбулизуется уже при малейших дуновениях ветерка (ветер 1 м/сек — полный штиль). В щелях бани толщиной 1 мм турбулентность может наступить лишь при скоростях движения воздуха в них более 30 м/сек (скорости урагана). Это значит, что воздух в щелях (и порах) всегда течёт ламинарно со скоростями, пропорциональными Δр / μ (вязкостный режим течения, см. первое и четвёртое слагаемые для Gв). 

Таким образом, внешняя газодинамическая картина, формирующая внутреннюю вентиляцию здания, выглядит следующим образом (рис. 45а). Ветер 1, набегая на здание со скоростью V0, тормозится до скорости V1 = 0, создавая статическое давление р1 на наветренной стороне, равное давлению торможения рт = р1 + ρV1²/2 = p1 = р + ρV0²/2, где р — атмосферное давление. В зоне над зданием статическое давление равно р2т- ρV2²/2, где V2 — скорость ветра над зданием, близкая к скорости набегающего ветра, то есть р2 близко к атмосферному давлению. За зданием статическое давление р3 = рт - ρV3²/2, где V3 — скорость воздуха в вихрях. Если здание обтекается ламинарно (без образования турбулентной зоны 3), то р3 = рт и, следовательно, аэродинамического сопротивления здание не оказывает.

Рис. 45. Схема обтекания здания потоком ветра
Рис. 45. Схема обтекания здания потоком ветра: а) образование зоны торможения, турбулентной зоны и возникновение возможности сквозного продува; б) гипотетическая схема сквозного продува ускоряющимся в окне ветром (без образования зоны торможения); в) возникновение несквозного продува: 1 — набегающий поток ветра, 2 — обтекающий поток ветра, 3 — турбулентная зона на подветренной стороне здания, 4 и 5 — отсосы воздуха (в том числе через венттрубу) в поток ускоренного ветра с дефлектором 4 и без дефлектора 5, 6 — захват приточного воздуха воздухозаборником, 7 — образование вихревого потока, 8 — сквозной продув (пунктир). 

Если теперь откроем окно на наветренной стороне, то давление внутри здания скачком повысится на величину ветрового напора ρV0²/2, то есть до р1. Но если открыть окно на подветренной стороне, то давление внутри здания скачком понизится до р3. Если же одновременно открыть и переднее, и заднее окна, то возникнет сквозной поток воздуха через здание за счёт перепада давлений p1- p3 = ρV3²/2 (не зависящего от ветрового напора). Если открыть одновременно окно на наветренной стороне и на крыше (рис. 45в), то возникает поток воздуха 5 за счёт перепада давлений p1 - p2 = ρV2²/2, близкого по величине к ветровому напору ρV0²/2. 

Схемы движения вентиляционного воздуха внутри здания могут быть самыми разными, в том числе и с помощью дефлекторов 4 и рефлекторов 6 (воздухозаборников). Скорости вентиляционных потоков определяются всеми окнами (проёмами) одновременно, а потому рассчитывать их трудно. В нормативных строительных документах молчаливо подразумевается, что в здании всегда обеспечивается давление, близкое к атмосферному р (или давлению над зданием p2), за счёт, например, высокопроизводительных вентиляционных стояков 5 (рис. 45в) или 4 (рис. 46).

Рис. 46. Схемы обтекания вытяжных (в том числе дымовых) труб потоком ветра
Рис. 46. Схемы обтекания вытяжных (в том числе дымовых) труб потоком ветра: 1 — труба в горизонтальном потоке; 2 — в восходящем потоке; 3 — в нисходящем потоке; 4 — усиление вытяжки с помощью дефлектора (флюгера); 5 — нагнетание воздуха напором ветра с наветренной стороны; 6 — нагнетание воздуха в трубу напором ветра с помощью рефлектора; 7 — вытяжка воздуха в подветренную сторону (6 и 7 отвечают режиму дымления печи); 8 — пунктирная схема — действительная причина появления тяги в стояки из-за ветра заключается в задуве ветра в наветренное отверстие стояка, а не в вытяжке в поток 1. 

В этом случае, скорость вентиляции за счёт ветрового напора рассчитывается как скорость движения воздуха через каждый проём (а не через каждые два последовательных проёма — входного и выходного одновременно), равная согласно уравнению Бернулли Vв = (2Δp/ρ)1/2, где Δp — перепад давлений на проёме. Поскольку статическое давление в заторможенном воздухе наветренной зоны равно p1 = p + ρV0²/2, где V0 — скорость ветра, а статическое давление внутри здания равно р, то в наветренном проёме возникает перепад давления Δp = ρV0²/2, называемый ветровым напором. Отсюда следует, что скорость приточного воздуха в наветренном проёме равна скорости ветра Vв = (2Δp/ρ)1/2 = (2•ρV0²/2ρ)1/2 = V0

Такой простой наглядный результат широко используется в инженерно-строительных расчётах, в том числе и печных (где дымовая труба заведомо обладает много большей производительностью, нежели воздухозаборные отверстия поддува). Так, если, например, площадь наветренной стены бани равна 10 м², а площадь щелей и вентотверстий на наветренной стороне равна 10 см², то в баню при скорости ветра V0 = 1 м/сек проникает всего лишь 3,6 м³/час (то есть очень небольшая часть набегающего на стену потока 36000 м³/час). Практически весь набегающий воздушный поток 36000 м³/час обтекает здание бани с боков и сверху. То есть линии тока ветра 1 (рис. 45а) перед зданием расходятся, образуя перед зданием расширяющуюся трубку тока, в которой скорость движения воздуха уменьшается, а давление повышается, что научно разъясняет физический смысл понятия ветрового напора на здание. 

В то же время в быту часто считают, что скорость воздуха в окнах и форточках может быть намного больше скорости ветра. Такое мнение базируется на том житейском наблюдении, что ветер в промежутках между зданиями дует сильней, чем во дворах, а это значит, что в любом узилище (например, форточке) ветер должен двигаться быстрее. Действительно, предположим, что воздух в любое отверстие входит по сужающейся трубке тока (рис. 45б), а поэтому с ускорением. В таком случае, внутри помещения должно создаваться разряжение, а при выходе из помещения с подветренной (задней) стороны воздух повышает своё давление, поскольку трубка тока вновь расширяется. Последние заключения уже не столь очевидны, более того, противоречат житейскому здравому смыслу, поскольку при порывах ветра в помещениях повышается давление, а не снижается, а поэтому и первичный тезис не верен. 

С физической точки зрения сужающаяся трубка тока возможна лишь при воздухонепроницаемости стенок трубки. В противном случае воздух из соседних трубок тока устремляется в ускоряющийся воздушный поток (рис. 43,б), создавая турбулентности, но снижая скорость потока. Как раз таких воздухонепроницаемых стенок у трубок тока на рис. 45,б нет и быть не может. Таким образом, воздушный поток входит в проём не в сужающейся трубке тока, а в расширяющейся, то есть с торможением. 

Что касается кажущегося ускорения ветра в промежутках между зданиями, то необходимо иметь в виду, что над зданием движется невозмущенный ветровой поток, непосредственно контактирующий с нижележащими слоями воздуха и являющийся буфером, принимающим воздух снизу и отдающим вниз. Это приводит к турбулизации ветровых потоков (и на пустыре, и во дворах, и между зданиями). Поэтому направленная скорость ветра в промежутках между зданиями принципиально не может превышать скорость ветра на пустырях и вне домов за городом. 

Все вышесказанное о скорости воздуха в проеме относится только к случаю ничем не ограниченных в пространстве свободных течений, когда перепады давлений на замкнутых траекториях равны нулю. Течения в трубопроводах (в дымоходах печей и воздуховодах вентиляционных систем), как правило, не свободны  см. раздел 5.7.6) — скорость воздуха увеличивается в местах заужений ( по закону сохранения массы), причем за счет локального снижения давления. Появление турбулентностей газовых потоков в трубе тормозит поступательное движение — если где-то в трубе газ закрутился в вихрь, то поступательная скорость газа уходит в скорость вихря. Газ при этом как бы останавливается в трубе, что воспринимается как торможение, как сопротивление потоку, как повышение давления по тракту. Турбулентности снижают поступательные скорости потоков, что учитывается коэффициентами истечения или коэффициентами местных газодинамических сопротивлений (см. далее раздел 5.7.4). 

Продуваемость здания (как через специальные проёмы, так и через стены) не может обеспечить контролируемую вентиляцию и зачастую играет отнюдь не полезную, а вредную роль. Тем не менее она ценна для вентиляции с помощью залповых проветриваний. При этом вытяжка через боковые стены или потолок (крышу) многокомнатных зданий вверх 5 (в том числе через вентиляционные вытяжные трубы) является зачастую практически более важной, чем вытяжка через подветренную сторону 6 (рис. 45,в). При этом с помощью дефлекторов (флюгеров) 4 или, наоборот, рефлекторов (воздухозаборников) 7 можно сильно изменить механизм вытяжки созданием особых (наветренных с повышенным давлением или подветренных с пониженным давлением) зон в обтекающем потоке. 

Часто говорят, что для надёжной вентиляции помещений здания необходимо поместить верхний срез вытяжной трубы в невозмущённый ветровой поток 1 (рис. 46), и при этом вытяжка будет тем сильней, чем больше скорость ветра. При всей своей формальной правильности такая трактовка вентиляционного механизма содержит существенные недосказанности. Вытяжка будет более эффективной при восходящем потоке 2, когда срез трубы играет роль дефлектора. Но та же труба при смене направления ветра окажется в нисходящем потоке 3 и будет выполнять роль рефлектора 6. Кроме того, совершенно ясно, что вытяжная труба является лишь завершающей частью пути вентиляционного потока в помещении, а начинается этот поток в проёмах стен (окнах, дверях, форточках). Именно задув ветра в помещение через стенные проёмы 5 (и как следствие, повышение давления внутри здания) является основным фактором ветровой вентиляции помещения (8 на рис. 46). Так, если приточное отверстие расположено на наветренной стороне, то труба 1 действительно будет вытяжной, а если на подветренной — то труба 1 станет, возможно, и приточной. Это, видимо, безразлично для консервирующей вентиляции, но для общеобменной вентиляции очень важно вовремя открывать те или иные окна в зависимости от направления ветра. 

Нестабильность ветровой вентиляции приводит к тому, что на практике предпочитают создавать вентиляцию преимущественно на гравитационном принципе, используя тот факт, что температура вытяжного воздуха является более высокой, чем температура наружного атмосферного воздуха. Именно в этом случае особенно важно расположение оголовка вытяжной трубы в невозмущённом потоке 1, чтобы порывы ветра не нарушали работу гравитационной вентиляции. Для сокращения отрицательной роли ветра, вентиляционные трубы (стояки), в том числе и дымовые, делают как можно более высокими (чтобы гравитационные перепады давления ρgh превышали возможные напоры ветра ρV02/2), а на оголовки труб монтируют дефлекторы-флюгеры, работоспособные при всех направлениях ветра. 

Ясно, что основное воздействие на баню оказывают порывы ветра, способные выхолодить и задымить помещение. Что касается постоянно работающих бань, то для официальных оценок среднегодового влияния ветровой вентиляции рекомендуется нормируемое в СНиП23-02-2003 усреднённое соотношение для перепада давления на стенах здания, создаваемого ветровыми напорами: Δрв=0,03ρV², где V — максимальная из средних скоростей ветра по румбам (направлениям). Отсюда следует, что среднегодовое влияние ветра начинает превосходить влияние гравитационных факторов в банях при скоростях более (7-11) м/сек.

Источник: Дачные бани и печи. Принципы конструирования. Хошев Ю.М. 2008

Добавить комментарий

CAPTCHA
Этот вопрос задается для проверки того, не является ли обратная сторона программой-роботом (для предотвращения попыток автоматической регистрации)