Рымаров А.Г., кандидат технических наук, доцент Титков Д.Г., аспирант (Московский государственный строительный университет)
АЭРОДИНАМИКА КОЛЛЕКТОРА ДЛЯ ПОДЗЕМНЫХ КОММУНИКАЦИЙ
В статье рассмотрено действие воздушного режима коллектора для подземных коммуникаций с учетом взаимодействия с тепловым режимом и совместного влияния воздушного и теплового режимов на влажностный и газовый режимы. Уделено внимание формированию гравитационных давлений, способствующих движению воздуха в подземном пространстве коллектора.
Ключевые слова: воздушные потоки, аэродинамика, естественная конвекция, температура.
THE AERODYNAMICS OF THE COLLECTOR FOR UNDERGROUND
COMMUNICATIONS
In the article the air collector mode for underground communications, taking into account the thermal interaction and joint influence of air and thermal regimes in the humidity and gas modes. Attention is paid to the formation of gravitational pressures, contributing to the movement of air in the underground space of collector.
Keywords: air flows, aerodynamics, and natural convection temperature.
Изучение изменений во времени микроклимата в воздушном пространстве коллектора для подземных коммуникаций связано с пониманием тепломассообменных процессов, приводящих к перемещению воздуха в коллекторе, что обусловлено процессами вынужденной и естественной конвекции под влиянием изменяющихся параметров теплового режима коллектора.
Анализ воздушного режима коллектора проводился на основе инструментальных измерений параметров микроклимата, расходов воздуха, проводимых в коллекторах для подземных коммуникаций в г. Москва и на основе теоретических исследований аэродинамики воздуха у приточных и вытяжных шахт, в вертикальных шахтах и горизонтальном стволе коллекторов.
Воздушный режим коллектора для подземных коммуникаций формируется в отсеке между двумя шахтами для подачи и удаления воздуха. Воздух поступает сначала в шахту, а затем в пространство коллектора, затем перемещается по коллектору на расстоянии около 250 метров и уходит через вытяжную шахту в приземный слой атмосферы. Вентиляция коллектора происходит в двух вариантах: первый при работе приточной механической системы вентиляции, второй вариант при естественном проветривании коллектора.
Для первого варианта порядок работы системы вентиляции следующий: работает приточный вентилятор, нагнетая воздух в шахту, после чего некоторая часть воздуха, поступив в коллектор, возвращается в режиме рециркуляции для смешивания с наружным воздухом до вентилятора, а затем смешанный воздух поступает в коллектор и перемещается по нему, после чего уходит в вытяжную шахту. При работающей вентиляции к давлению, развиваемому вентилятором, добавляется ветровое и гравитационное давления у поверхности земли и локальные гравитационные давления, возникающие по длине коллектора. Работа механической системы вентиляции реализуется при загазовывании коллектора, по результатам измерений концентрации метана или по сигналу от датчиков на наличие метана в коллекторе, что связано с требованиями пожарной безопасности. При работающей механической вентиляции в коллекторе воздух поступает в горизонтальный ствол коллектора с динамическим давлением равным сопротивлению шахт и горизонтального ствола коллектора, пространство которого частично заполнено подземными коммуникациями, при этом скорость
воздуха максимальная в пространстве коллектора после вентилятора и минимальная на выходе из вытяжной шахты.
Рис. 1. Схема действия гравитационного давления внутри шахты (1), ветрового и гравитационного давления на приточную (вытяжную) шахту коллектора (2) с наветренной и заветренной сторон, где Н1 - высота шахты с высотой коллектора от потолка до пола, Н2 - расстояние от низа приточного (вытяжного) отверстия закрытого вентиляционной решеткой, Н3 - высота вентиляционной решетки, Н4 - высота наземной части приточной (вытяжной) шахты.
Для второго варианта порядок работы естественного проветривания коллектора следующий: приточный вентилятор не работает, в этом случае имеет место естественное движение воздуха под действием ветрового и гравитационного давлений. Гравитационное давление формируется за счет разности плотностей наружного и внутреннего воздуха в шахтах и пространстве коллектора (рис. 1), где (1) - гравитационное давление, образующееся из-за разности температуры в горизонтальной части коллектора и у вентиляционной решетки вентшах-ты, (2) - гравитационное давление, образующееся из-за разности температуры в шахте коллектора и снаружи, при этом ветровое давление с наветренной стороны шахты присутствует, а с заветренной стороны - нет. При естественном проветривании коллектора скорость воздуха зависит от разности температуры наружного воздуха и воздуха в коллекторе, если температуры отличаются не значительно, то и приток и вытяжка воздуха происходят в пределах приточной шахты и в пределах вытяжной шахты одновременно, при этом сквозное движение воздуха от приточной шахты к вытяжной шахте в коллекторе отсутствует. На небольших по длине участках коллектора формируются зоны циркуляции воздуха, а в зонах, примыкающих к приточной и вытяжной шахтам, имеет место подмешивание свежего воздуха, постепенно проникающего вглубь ствола коллектора. Центральная часть горизонтального ствола
коллектора имеет слабое взаимодействие с проветриваемыми начальными участками, так как скорость воздуха в коллекторе не значительна, что формирует ламинарное течение.
При рассмотрении воздушного режима коллектора с позиций теории воздушного режима здания [1] можно охарактеризовать три части воздушного режима коллектора следующим образом: внешняя часть воздушного режима коллектора определяется действием ветрового давления. Ветровое давление действует на уровне вентиляционной решетки, расположенной на киосках или тумбах надземной части приточной и вытяжной шахт, уходящих вертикально под землю. Так как коллекторы часто располагаются в застроенной городской среде, то воздушный режим территории определяет зоны подпора и разряжения воздуха, создаваемые динамическим давлением ветра, а так же формирующимися наветренными и заветренными вихревыми зонами аэродинамического следа рядом расположенных зданий. Вихревые зоны, образующиеся при обтекании зданий потоком ветра, накладываясь друг на друга от разных, рядом находящихся зданий, создают территории с повышенными и зоны с пониженными скоростями движения воздуха, что по-разному влияет на поступление воздуха в коллектор. Ветровое давление работает как периодически действующий фактор, оказывающий периодическое влияние на воздушный режим коллектора.
Краевая часть воздушного режима коллектора действует под влиянием гравитационного давления, которое зависит от разности температуры наружного и внутреннего воздуха и глубины приточной и вытяжной шахт. Краевая часть воздушного режима коллектора реализуется при движении воздуха через вентиляционные решетки, находящиеся на тумбах, являющихся наземной частью вытяжной и приточной шахт. Разница между температурами наружного и внутреннего воздуха в коллекторах очень сильно отличается в различные периоды года, что приводит к непостоянности величины расхода воздуха, проходящего через приточные (вытяжные) решетки на тумбах в холодный, переходный и теплый периоды года при не работающей механической вентиляции. Гравитационное давление существенно изменяется в течение года, определяя расход воздуха естественного проветривания коллектора и длину коллектора, затронутую естественным проветриванием, изменяющуюся в течение суток и сезонов. Естественное проветривание, формирующееся гравитационным давлением, приводит к более активному проветриванию концевых участков коллектора, с образованием застойной зоны в центре коллектора, размер которой зависит от величины гравитационного и ветрового давлений, формирующихся у приточной и вытяжной решеток приточной и вытяжной шахт.
Внутренняя часть воздушного режима коллектора связана с движением воздуха внутри приточной и вытяжной шахт и в пространстве коллектора, где располагаются коммуникации. Направленное по заданной траектории движение воздуха имеет место только при работающей механической системе вентиляции. При естественном проветривании коллектора основной причиной движения воздуха в коллекторе являются локальные гравитационные давления в разных сечениях коллектора с учетом стратификации воздуха по температуре по высоте коллектора, и с учетом естественной конвекции, происходящей при теплообмене воздуха с поверхностями стенок коллектора и с инженерными коммуникациями.
Воздушный режим коллектора влияет на тепловой, влажностный и газовый режимы коллектора, которые проявляют свое действие при взаимном влиянии [2]. Тепловой режим коллектора определяет естественное движение воздуха по длине и высоте коллектора, связанное с естественной конвекцией воздуха у нагретых и охлажденных поверхностей, при котором формируются восходящие и нисходящие струйные течения протяженного по длине характера [3,4]. Влажностный режим коллектора полностью зависит от воздушного режима и связан с влагопереносом под действием естественной и вынужденной конвекции, а небольшое проникновение влаги за счет поступления дождевой и грунтовой воды и влагопередачи через многослойное ограждение коллектора имеют не существенный характер [5,6], в связи с гидроизоляцией стен коллектора и наличием оборудования для отвода из коллектора избыточно
поступившей воды. Газовый режим в коллекторе связан в основном с загазованностью наружного воздуха от автотранспорта, который свободно поступает в коллектор, и возможным поступлением вредных веществ со стороны окружающего коллектор грунта [7]. Перенос вредных веществ в воздушной среде коллектора происходит за счет конвективного переноса и определяется действием воздушного режима коллектора.
Формирование параметров микроклимата и концентрации вредной примеси в коллекторе для подземных коммуникаций зависит от действия воздушного режима коллектора во взаимосвязи с тепловым режимом с их совместным влиянием на влажностный и газовый режимы. Работа выполнена при поддержке Мини
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.