Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации.

В первой главе проводится аналитический обзор отечественного и зарубежного опыта по аэродинамике, вентиляции, отоплению, тепло- и массообмену в зданиях различного назначения. Особое внимание при этом уделено современному состоянию рассматриваемых задач. Приводится анализ нормативной документации по православным храмам.

Существенный вклад в разработку и совершенствование теории и практики аэродинамических исследований, а также теплового и воздушного режимов гражданских и промышленных зданий внесли отечественные и зарубежные ученые: Н. Е. Жуковский, Л.И. Седов, Л.Г. Лойцянский, Л.Е. Ландау, Е.М. Лифшиц, Л. Прандтль, О. Титьенс, А.В. Лыков, В.Н. Богословский, Й. Джалурии, Б. Гебхарт, Д.Б. Сполдинг, О. Рейнольдс, С.В. Патанкар, Э.Р. Эккерт, Р.М. Дрейк, В.И. Полежаев, А.Д. Госмен, Р. Темам, А.А. Абрашкина, Е.И. Якубович, Н.Я. Фабрикант, Р. Пэнкхерст, Д. Холдер, Н.С. Аржаников, Н.Ф. Краснов, Ф.В. Шмитц., А.К. Мартынов, В.Н. Талиев, Э.И. Реттер, С.И. Стриженов, В.В. Батурин, В.М. Эльтерман, И. А. Шепелев.

При изучении архитектуры православных храмов основными источниками служили работы И. Грабаря, Г.В. Барановского, Н.Ф. Филатова. На основании полученных данных о видах и стилях православных храмах в первой главе приводится теоретическое обоснование выбора исследуемых культовых сооружений в диссертации.

Обзор научно-технической литературы показал, что наибольшее внимание при изучении процессов осушения толщи строительной конструкции, тепло- и массообмена на внутренней поверхности наружных ограждений уделено промышленным зданиям и некоторым типам общественных, по ряду характеристик отличающихся от уникальных сооружений.

В нормативной документации не приводятся значения аэродинамических коэффициентов для различных типов храмов, а также методика и примеры расчета по организации требуемого воздухообмена в помещениях сооружений.

По результатам обзора сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе приведены краткие сведения о тепломассообменных процессах в православных храмах. Также рассматривается физико-математическая модель движения восходящего конвективного потока вдоль внутренней поверхности наружного ограждения в православных храмах.

Как правило, по высоте вертикальной стены молельного зала располагаются несколько ярусов оконных проемов. Перекрытия, отделяющие один ярус от другого, отсутствуют. Между оконными проемами могут находиться фрески или иконы, делающие невозможным размещение отопительных приборов под каждым ярусом окон. Следовательно, на вертикальной стене православных храмов под несколькими ярусами окон может располагаться только один ряд отопительных приборов.

В таком случае математическое моделирование течения жидкости вдоль внутренней поверхности наружной стены православного храма удобнее разделить на несколько составляющих. Отдельно рассмотреть процесс течения над отопительным прибором, вдоль оконного проема и «пустого» участка стены, отделяющего ярусы окон друг от друга. (Значения скоростных и температурных полей над отопительными приборами в православных храмах были определены экспериментально и приводятся в диссертации в приложении A)

За основу первой части модели была взята задача, в которой вертикальная пластина с неизменной температурой t_с, находится в жидкости или газе. Жидкость вдали от пластины остается неподвижной, что говорит об отсутствии вынужденного течения, а температура вдали от пластины постоянна и равна t₀.

Рис. 1. Графическая иллюстрация к выводу формул при естественной конвекции вдоль вертикальной пластины.

В результате решения первой задачи «Теплоотдача при свободном движении на вертикальных стенах православных храмов» были получены следующие результаты:

(1)

Средняя теплоотдача вертикальной пластины при ламинарном течении

(2)

Для расчета местных коэффициентов теплоотдачи при свободном ламинарном течении вдоль вертикальных стенок можно использовать формулу:

(3)

В данной формуле определяющей является температура жидкости за пределами движущегося слоя, а определяющий размер отсчитывается от места начала теплообмена. Она получена при условии, что , а осредняя коэффициенты теплоотдачи при данных условиях формула для их расчета будет иметь следующий вид:

(4)

В данной формуле по-прежнему определяющей температурой является температура жидкости за пределами движущегося слоя, а определяющим размером является длина пластины, отсчитываемая от начала теплообмена.

Формула получена для теплоносителей с числами Прандтля от 0,7 до 3∙10³ и справедлива для диапазона .

Рассматривая развитое турбулентное течение, возникающее при , для местных коэффициентов теплоотдачи будет справедлива следующая формула:

(5)

Линейный размер входит в числа Nu и Gr

и (6)

Откуда следует, что при развитом турбулентном течении коэффициент теплоотдачи не зависит от линейного размера, таким образом, местный коэффициент теплоотдачи равен среднему.

Вторая задача «Теплоотдача при свободном движении вдоль оконных проемов православных храмов» (задача на вдув) была рассмотрена с нескольких сторон.

За основу была взята задача, где пластина обтекается потоком нагретого газа, для охлаждения поверхности которой подается инертный газ с некоторой постоянной скоростью вдува.

Рис. 2. Графическая иллюстрация к выводу формул при обтекании пластины со вдувом в пограничный слой.

По основной методике для расчета локального теплообмена и поверхностного трения при ламинарном режиме нами получены следующие зависимости:

(7)

Величины и вычисляются по определяющей температуре T*

(8)

Для турбулентного режима при вдувах (задача на вдув неконденсирующихся газов) основываемся на полученных эмпирических соотношения:

(9)

(10)

где - относительный энтальпийный параметр массообмена; - относительный динамический параметр массообмена; - мольная или объёмная концентрация охладителя.

Поскольку задачи на вдув широко распространены в авиационной и ракетной технике, так как часто возникает необходи­мость защитить стенки конструкции от воздействия высокотемпе­ратурного газового потока, в качестве альтернативных решений были рассмотрены задачи при пористом и пленочном охлаждениях.

В третьей главе представлены экспериментальные исследования, которые состоят из следующих этапов:

• планирование эксперимента

• определение значений аэродинамических коэффициентов у четырех выбранных православных храмов в характерных точках расположения приточных и вытяжных фрамуг;

• определение значений скоростных и температурных полей на внутренней поверхности ограждающих конструкций православного храма;

Эксперименты проведены на основе теории планирования.

Для проведения аэродинамических испытаний были изготовлены четыре макета православных храмов с учетом критериев подобия и габаритов аэродинамической трубы. Модели изготавливаются из 2-х мм пластика. В места расположения оконных проемов (характерных точках модели) размещаются 5 мм трубки.

Рис. 3. Схема экспериментальной установки: 1 – исследуемая модель объекта; 2 – рабочая область аэродинамической трубы; 3 – осевой вентилятор; 4 – подставка под модель здания; 5 – направляющие ребра.

Измерения для каждой точки производятся для восьми направлений воздушного потока: С, СВ, В, ЮВ, Ю, ЮЗ, З, СЗ.

По результатам исследований строится аэродинамическая характеристика здания в виде диаграммы распределения давлений ветра на поверхности изучаемого сооружения при различных направлениях ветрового потока.

а) б)

в) г)

Рис. 4. Модели храмов на лабораторной установке: а) церковь Жен-Мироносиц б) Крестовоздвиженский собор в) Рождественская церковь г) Спасо-Преображенский собор.

Для измерения статического давления на поверхности модели здания в этих точках используют микроманометр, присоединяющийся к медным трубкам с помощью резиновых полых жгутов, которыми дренирована испытуемая модель здания.

В храме «Вознесения господня» в Нижнем Новгороде были проведены замеры температурных полей внутренних поверхностей наружной стены с помощью инфракрасного термометра Raytek Raynger ST20. В начальных точках были измерены температурные и скоростные поля воздуха с помощью термоанемометра ТТМ-2/1-06-2А.

У стены без окон температура воздуха достигала 18,6 ºC, скорость принимала значения от 0,05-0,2 м/с. Над отопительным прибором (рядом с окном) температура воздуха составила 20,1 ºC, а скорость воздуха – от 0,14-0,32 м/с. В случае с отдельно стоящим отопительным прибором температура воздуха составила 21,5 ºC, а скорость достигла 0,37 м/с. Результаты исследования температурных полей внутренней поверхности представлены в графической форме.

Таблица №1