Некоммерческое
партнерство
инженеров
Инженеры по отоплению, вентиляции, кондиционированию воздуха, теплоснабжению и строительной теплофизике
(495) 984-99-72 НП "АВОК"

(495) 621-80-48 Секретарь (тел./факс) ООО ИИП "АВОК-ПРЕСС"
(495) 107-91-50

АВОК ассоциированный
член

Математическое моделирование процессов турбулентного переноса

в профессиональной практике техники вентиляции и кондиционирования воздуха

Аэродинамика зданий – неотъемлемая и важнейшая часть инженерного и архитектурного разделов проекта здания

Вопросы аэродинамики зданий всегда считались достаточно важными, а в ряде случаев – определяющими для проектирования вентиляции зданий и расчета воздушных потоков внутри здания, оценки влияния здания на аэродинамический режим прилегающей территории, выбора ограждающих конструкций с необходимой воздухопроницаемостью. Кроме того, внутри зданий могут возникать сильные воздушные потоки, что требует специальных решений: шлюзования входных дверей, лестничных секций, герметизации мусоропроводов и т. д. Есть еще ряд вопросов, который связан с аэродинамикой зданий, в том числе рассеивание вредностей, расположение пешеходных дорожек, образование снегозаносов и т. п.

Аэродинамика зданий повышенной этажности и высотных зданий имеет свою специфику, т. к. для них влияние наружных климатических воздействий и величины градиентов перемещения потоков массы и энергии внутри здания являются по своей значимости экстремальными.

Изучение зарубежного опыта проектирования зданий и беседы с зарубежными проектировщиками показали, что большая роль в проектной работе отводится исследованию аэродинамики здания, как правило, с учетом особенностей района застройки.

Работа в различных государственных комиссиях по экспертизе и оценке инженерных решений современных зданий показала, что в проектах практически отсутствует раздел аэродинамики здания и расчеты воздушных потоков в помещениях. Сложившаяся ситуация объясняется рядом причин, главными из которых являются:

• Сегодня в строительных исследовательских институтах или в им подобных институтах совершенно отсутствуют установки по исследованию внутренней и наружной аэродинамики зданий.

• Аэродинамические исследования всегда были привилегией узкого класса специалистов, обладающих уникальными знаниями и длительным опытом работы в этой области, но, к сожалению, они уже покинули этот мир.

• Надо найти способ довести до сознания инвесторов и заказчиков совершенно очевидную и проверенную на практике истину: экономить на проекте – все равно, что наступать на грабли, т. к. потери при строительстве на порядок больше псевдоэкономии, а за высококачественные проектные решения, которые позволяют снизить капитальные, энергетические и эксплуатационные затраты, сократить сроки строительства и удешевить монтажные работы, надо платить, ибо скупой платит дважды.

Решение уравнений Новье-Стокса всегда представляло большие математические трудности. Поэтому предпочтение отдавалось более дорогим исследованиям на моделях в аэродинамических трубах. В последние десять лет в связи с появлением мощных компьютерных систем аэродинамические расчеты стали широко применяться в процессах проектирования. В ряде стран были созданы и получили достаточно широкое распространение коммерческие программы для аэродинамических расчетов. Компания из Санкт-Петербурга «Бюро техники и кондиционирования» приобрела такую коммерческую программу за достаточно высокую стоимость и затратила огромные силы на ее освоение и практическое применение. В результате стало возможным решать с достаточно высокой степенью точности задачи самого различного характера: оптимизация входа воздуха в канальный вентилятор, течение в прямоугольном отводе, течение, формирующееся при выходе из прямо-угольного отверстия, перекрытого аркой, определение эффективности различных схем организации воздухообмена в объеме круглогодичного лыжного склона и многие, многие другие.

В данной статье авторы демонстрируют результаты этих расчетов, которые, без сомнения, привлекут широкое внимание специалистов и станут неотъемлемой частью всех проектов.

Доктор технических наук, профессор,
член-корр. РААСН Ю. А. Табунщиков

 

В настоящее время в области математического моделирования существует три наиболее известных и интенсивно развиваемых программных продукта мирового класса: CFX, Fluent и STAR-CD.

При работе в течение последних 5 лет с продуктом STAR-CD нами накоплен положительный практический опыт. Сформулируем методически важные положения из этого опыта.

Первое. Необходимо с достаточной степенью точности описать все геометрические особенности вентилируемого объекта в таких пакетах построения трехмерных моделей, как SolidWorks, ProEnge-neer, Unigraphics.

Второе. Разработать и построить такую сеточную структуру, чтобы, с одной стороны, компьютер или компьютерный кластер, был бы способен на ней найти конечное решение за разумный временной период, скажем, 30 суток. С другой стороны, число ячеек в сеточной структуре должно быть достаточным для выявления тонких структур течения второго и третьего порядка малости по отношению к среднему течению. Последнее достигается измельчением сеточной системы в критичных, с точки зрения расчетчика, областях.

Третье. Необходимо хорошее понимание качественной стороны происходящих процессов, с тем чтобы правильно и корректно сформулировать граничные условия задачи.

Четвертое. На базе предыдущего опыта, анализа и обобщения результатов других исследователей необходимо выбрать модель турбулентности, являющуюся эффективной для описания низкоскоростных потоков с высокой интенсивностью турбулентности.

Пятое. Необходимо избежать ошибок при совершении процедур один-четыре, что достигается не только за счет академической подготовки, но и за счет профессионального практического опыта, обогащенного интуицией разработчика.

Обсудим некоторые решенные задачи, двигаясь от простого к сложному.

Одной из простых была задача оптимизации входа воздуха в канальный вентилятор. В базовом варианте вход представляет собой внезапное одностороннее сужение. Придавая передней стенке некоторый угол наклона и не выходя за габариты вентилятора, коэффициент местного сопротивления (x) удалось уменьшить с 0,31 до 0,19. Затем, скругляя вершину угла, образованного передней и горизонтальными стенками x снизили с 0,19 до 0,0418 при радиусе скругления r = 5 мм. В итоге x удалось снизить в 7,4 раза. Скоростные поля показаны на рис. 1, 2, 3.

Рисунок 1.

Угол наклона передней стенки a = 0°

Рисунок 2.

Угол наклона передней стенки a = 30°

Рисунок 3.

Угол наклона передней стенки a = 30°, радиус скругления r = 5 мм

Отметим, что потери давления при внезапном сужении канала, полученные в результате численного моделирования и из эксперимента [2], отличаются всего на 2 %. При этом не ставилась задача верификации программы STAR-CD, т. к. данный гидродинамический пакет прошел всестороннее тестирование и уже много лет успешно применяется во всем мире. Вместе с тем, было интересно и приятно узнать о практически абсолютном совпадении независимо полученных результатов.

Вторая задача формулировалась следующим образом. Необходимо рассчитать течение в прямоугольном отводе на 90° при условии, что на внутреннем радиусе стенки отвода образуют прямой угол (рис. 4, 5).

Рисунок 4.

Течение в отводе прямоугольного канала

Рисунок 5.

Течение в отводе прямоугольного канала с цилиндрической вставкой, поджимающей поток

Как видно из рис. 5, внутрь канала в соответствии с рекомендациями [3] введена цилиндрическая поверхность.

Отвод перестал быть генератором акустического шума, аэродинамическое сопротивление отвода с поджатым проходящим сечением снизилось более чем в 2 раза. В результате, сохраняя простую и дешевую технологию изготовления отвода, удалось придать ему аэродинамическое и, как следствие, акустическое совершенство.

Нами было изучено течение, формирующееся при выходе из прямоугольного отверстия, перекрытого аркой (рис. 6). Диапазон изменения do/lo = 1/1 ÷ 1/6, V0 = 2 ч ÷ 10 м/с. Под аркой был обнаружен автоколебательный процесс, крайние положения этого сложного динамического течения показаны на рис. 7.

Схема «генератора хаоса»

Рисунок 6.

Схема «генератора хаоса»

Тот факт, что поток из устройства по рис. 6 затухает парадоксально быстро, был обнаружен и изучался Б. Н. Юрмановым, Т. П. Авдеевой и другими учеными. Физическая сторона явлений, происходящих под аркой, долгое время не была раскрыта. Мы считаем, что устройство на рис. 6 является генератором хаоса и создает течение с большим числом как крупномасштабных, так и мелкомасштабных вихревых структур.

При решении первых двух задач общее число ячеек сеточной структуры составляло 100 000 элементов.

Динамическая задача с автоколебательным процессом при расчете в рамках уравнений Рейнольдса потребовала уже 500 000 ячеек. При этом использовалась квадратичная форма к-e модели турбулентности, причины ее выбора следует обсуждать отдельно.

Интересной была работа по определению эффективности различных схем организации воздухообмена в объеме круглогодичного лыжного склона, строительство которого ведется в г. Красногорске Московской области.

Рисунок 7 (подробнее)

 

Поля модуля скорости в моменты времени, соответствующие двум характерным фазам автоколебаний течения из «генератора хаоса»

Склон имеет длину в плане – 365 м, ширину – 60 м, внутренняя высота – 12 м, разность высот старта и финиша – 70 м. Площадь снегового поля – 22 000 м2, объем трассы – 260 000 м2.

Критерием эффективности была принята подвижность воздуха на высоте 100 мм от снежного покрова. Диапазон ее изменения 0,15–0,5 м/с. При меньших значениях возникает угроза конденсации водяного пара на снежном поле, что ухудшает качество снега, при высокой подвижности растет сублимационный компонент, перегружающий воздухоохладители склона.

Изучались как продольные (рис. 8), так и поперечные (рис. 9) схемы воздухораспределения. Также была произведена оценка влияния рекламных щитов (высотой 6 м, расположенных по всей ширине трассы) на циркуляцию воздуха (рис. 10).

Рисунок 8.

Поле модуля скорости в сечении, проходящем через центр горнолыжного склона при продольной схеме воздухораспределения

Рисунок 9.

Поле модуля скорости в зоне финиша при поперечной схеме воздухораспределения горнолыжного склона

Рисунок 10.

Поле вектора скорости в районе 2-й линии при отсутствии (а) и наличии (б) воздухоохладителей встроенного рекламного щита при продольной схеме воздухораспределителя

Рассчитывались скоростные, температурные и концентрационные поля в объеме склона.

Сеточная структура насчитывала 1 500 000 ячеек. Замыкание урав-нений Рейнольдса производилось с помощью квадратичной к-e модели турбулентности.

Компьютерный кластер из 6 машин частотой 3 ГГц давал решение в зависимости от постановки задачи за 5–8 суток.

На основе генератора хаоса (рис. 6) был разработан воздухораспределитель, работа которого изучалась в приложении к купе железнодорожного вагона. Для сравнения исследовалась работа воздухораспределителя с настилающимися веерными струями.

Результаты расчетов приведены на рис. 11.

Рисунок 11.

Поле модуля скорости в купе железнодорожного вагона в плоскости симметрии. Подача воздуха через воздухораспределитель: а) стандартная конфигурация; б) «генератор хаоса»

Что же является продуктом и результатом численного моделирования? На первый взгляд может показаться, что это «рисунки» (рис. 1–11). На самом деле это не так. Результатом является оцифрованное трехмерное течение в исследуемом объекте в его динамическом развитии. Материал, приведенный на рис. 1–11, это некоторые визуализированные фрагменты изучаемых течений.

STAR-CD позволяет вести разнообразную статистическую обработку материала, визуализировать течение в интересующем диапазоне скоростей, представлять материал в векторном отображении, показывать модули различных полей (скоростных, температурных, концентрационных) в различных сечениях, наблюдать движение трассеров, перемещающихся вместе с потоком, и многое другое.

Интерпретационные возможности пакета достаточно широки, они позволяют увидеть, а затем и понять неочевидные моменты и нюансы течений, не всегда совпадающих с интуитивными ожиданиями.

Отметим, что в мировой практике использование пакетов CFX, Fluent и STAR-CD для решения задач техники вентиляции и кондиционирования воздуха достаточно распространено. Особенно, если проектируется уникальный объект с большим атриумом, конференц-залом, оперные театры, закрытое спортивное сооружение и т. д.

В настоящем материале мы обсудили некоторые внутренние задачи. Не менее важными представляются и задачи внешнего обтекания зданий, особенно зданий повышенной этажности. В них не только определяются перепады давления на сторонах здания и возникающие при этом статические и динамические нагрузки, но и анализируется отрыв и присоединение потока, особенно вблизи окон жилых помещений. Несмотря на высокую эффективность оболочки STAR-CD для решения задач техники вентиляции и кондиционирования, следует помнить о том, что пакеты STAR-CD, ProEnge-neer, ICEM CFD – это только инструменты для изучения явлений, работе с которыми следует учиться и учиться.

Литература

1. Ханжонков В. И. Промышленная аэродинамика. – М. : Оборонгиз, 1953.

2. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М. : Машиностроение, 1975.

3. Справочник проектировщика / Под ред. И. Г. Староверова. – М. : Стройиздат, 1990.

4. Ferziger J. H. Recent Advances in Large-Eddy Simulation, Engineering Turbulence Modelling and Experiments 3, proceeding of the Third International Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements, 1996.

 

По вопросам проведения расчетов обращаться по тел. (812) 572-21-60.

E-mail: denisikhina.daria@hvac-pro.com.

Поделиться статьей в социальных сетях:

Статья опубликована в журнале “АВОК” за №5'2006

распечатать статью распечатать статью


Статьи по теме

Реклама
Реклама на нашем сайте
Яндекс цитирования

Подписка на журналы

АВОК
АВОК
Энергосбережение
Энергосбережение
Сантехника
Сантехника
Онлайн-словарь АВОК!


Реклама на нашем сайте