Аэродинамика (механика газа)

Аэродинамикой называется раздел механики жидкости и газа, изу­чаю­щий закономерности покоя и движения газов.

В области строительства аэродинамические расчёты связаны главным образом с воздухом, на который в основном и будем ориентироваться в данной книге.

Многие гидравлические принципы сохраняются и для газов, так как последние часто считают условно несжимаемыми, как и жидкости. Поэтому в аэродинамике много ссылок на закономерности гидравлики.

Положения аэродинамики используются для расчёта систем вентиляции и газоснабжения зданий, при определении ветровых нагрузок на строи­тельные конструкции, в расчётах продуваемости жилых микрорайонов, для оценки воздухопроницаемости стен и оконных проёмов зданий.

Физические свойства газов

Определения плотности r, удельного веса g, вязкости динамической m и кинематической n, приведённые для жидкости в гидравлике (см. с. 6—7), остаются в силе и для газа.

Плотность

Плотность газа r ( кг/м3)в зависимости от давления и темпе­ра­туры можно определить по формуле Клапейруна

,

где p_ст — статическое давление в газе, Па (аналогично гидроста­ти­ческому — см. с. 8);

R_г — газовая постоянная, Дж/(кг· K);

T — абсолютная температура газа в градусах Кйльвина (К), вычис­ляемая через температуру t° в градусах Цельсия (°C) по формуле

T = t°+273°.

Например, плотность воздуха при t°=+20 °C, нормальном атмос­ферном давлении p_ст = p_атм =101325 Па и соответствующей газовой по­стоянной R_г=287 Дж/(кг×K) составит по формуле Клапейрона

r =101325/287(20+273) = 1,2 кг/м3.

В практических расчётах воздухообмена в зданиях, в частности при самоудалении нагретого воздуха из помещений по каналам естественной вытяжной вентиляции наружу плотность воздуха определяется упрощённо при условии постоянства давления (изобарный процесс): p_ст= p_атм=101325 Па. Это означает, что плотность воздуха r считается зависящей только от его температуры Т. В дальнейшем будем иметь ввиду только такую простейшую зависимость.

Удельный вес

Удельный вес газа g (Н/м3) находится по формуле:

g = r g.

Вязкость

Динамическая вязкость воздуха m (Па·с) может быть опре­делена по экспериментальной формуле Р.Э. Мълликена

,

где t° — температура, °C. Например, при t°=+20 °C вычисляем дина­ми­ческую m =1,85·10-5Па·с и кинематическую вязкость воздуха n = m/r = = 1,85·10-5/1,2 = 1,54·10-5 м2/с.

Обратите внимание, что с увеличением температуры вязкость газа увеличивается, в отличие от жидкостей, которые при нагревании становятся менее вязкими.

Статика газа

Статика газа — это раздел аэродинамики (механики газа), изучающий законы равновесия покоящегося газа и распределения в нём давления.

Статическое давление

Статическое давление p_ст (Па), действующее в покоящемся га­зе, складывается из внешнего давления на газ p_o на некотором го­ри­зонтальном уровне (например, замеренное барометром атмосферное дав­ление) и давления собственного веса газа (весового давления) p_г = g h (рис. 21):

p_ст = p_o + g h = p_o + r g h ,

где h — высота слоя газа над точкой, в которой определяется статическое давление. Приведённое уравнение аналогично основному уравнению гид­ро­ста­тики (см. с. 8). Оно показывает, что давление в газе, как и в жидкости, с изменением высоты меняется по линейной зависимости.