CC BY
21
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ
ИССЛЕДОВАНИЕ БЫСТРОЗАТУХАЮЩЕГО ВЫСОКОТУРБУЛЕНТНОГО ПОТОКА, ФОРМИРУЕМОГО ВОЗДУХОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЕМ ДЛЯ СТУПЕНЧАТОГО ПОЛА Захарова Е.В.1, Кочарьянц К.В.2
'Захарова Екатерина Васильевна — магистрант, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет;
2Кочарьянц Кристина Владимировна - руководитель лаборатории, ООО «Арктос», г. Санкт-Петербург
Аннотация: расчёт воздухораспределения - важная составляющая при проектировании систем вентиляции, так как от его точности зависит эффективность спроектированной системы вентиляции. В наше время появилась возможность расчета воздухораспределения с помощью численного моделирования (CFD моделирования), использование которого позволяет наглядно увидеть течение струй воздуха и распределение нормируемых параметров в помещении. Достоверность численного расчета зависит в том числе от принятой модели турбулентности. В статье приводятся результаты исследования быстрозатухающего высокотурбулентного потока, формируемого воздухораспределителем для ступенчатого пола ВСН. Получено скоростное поле при постановке физического эксперимента и проведении численного моделирования. Приведено сравнение результатов.
Ключевые слова: воздухораспределитель, приточная струя, численное моделирование, натурный эксперимент.
Введение
Рациональная организация воздухообмена это то, отчего зависит эффективность системы вентиляции. Из-за неправильной организации воздухообмена в помещении, в частности, некорректного расчёта параметров приточной струи, в рабочей зоне помещения могут возникнуть такие отрицательные последствия, как: застойные зоны, сквозняк, существенный температурный градиент и т.д. Поэтому для создания комфортного микроклимата весьма важен правильный расчёт воздухораспределения. В последнее время, всё чаще и чаще производится его расчёт с помощью численного (CFD - Computational Fluid Dynamics) моделирования, основанного на решении уравнений движения Навье-Стокса. Использование численного моделирования позволяет наиболее точно и доступно проводить исследования во многих областях, в частности, при решении задач вентиляции и кондиционирования помещений. Данный способ позволяет получить необходимый набор информации (поля скоростей, температур и т.д.) для анализа и оценки эффективности системы воздухораспределения.
При расчете задач вентиляции чаще всего используются уравнения движения Навье-Стокса осредненные по Рейнольдсу [1]. Для замыкания уравнения применяются различные эмпирические модели турбулентности. Достоверность полученных при численном моделировании результатов зависит от ряда параметров, и, в том числе, от выбора модели турбулентности. В литературе появляются работы по данной тематике [2, 3, 4], но материала по исследованию численными метода высокотурбулентных струй ещё недостаточно.
Цель настоящего исследования состояла в определении параметров и методов численного моделирования, позволяющих получить достоверные результаты при расчёте высокотурбулентных быстрозатухающих приточных струй.
Для решения поставленной задачи авторами были проведены натурные аэродинамические испытания и численное моделирование высокотурбулентной приточной струи.
Для исследования был выбран воздухораспределитель панельный для ступенчатого пола ВСН 400x250 завода «Арктос» (рис. 1). За счет конструкции воздухораспределитель формирует высокотурбулентный быстрозатухающий поток, благодаря чему его можно использовать для подачи воздуха непосредственно в рабочую зону, например, в театрах, конференц-залах и т.п. Диаметр подводящего патрубка диффузора ¿пат=125 мм [5].
Рис. 1. Воздухораспределитель панельный для ступенчатого пола ВСН 400x250
1. Физический эксперимент
Натурные испытания воздухораспределителя панельного для ступенчатого пола ВСН проводились на аэродинамическом стенде (размеры измерительного помещения - 20х12х10 м) научно-исследовательской лаборатории аэродинамики и акустики завода «Арктос» (рис. 2). В изотермическом режиме. При расходе воздуха на притоке L=106 м3/ч. Определение расхода осуществлялось по методике [6].
Для получения характеристик струи, проводилось измерение поля скоростей на плоскости (рис.3), расположенной перпендикулярно течению приточной струи воздуха на расстоянии 0,5 м относительно лицевой панели ВСН, которые выполнялись с помощью термоанемометрической системы Sensor AirDistSys 5000. Запись мгновенных значений скорости с частотой 5 Гц производилась в течение трёх минут для каждой точки - 1440 значений.
Рис. 2. Натурные испытания воздухораспределителя панельного для ступенчатого пола ВСН 400x250
Рис. 3. Положение точек измерения
Так как у воздухораспределителя ВСН формируется двусторонний поток воздуха (рис. 4) с углом раскрытия, зависящим от расхода воздуха, то измерения проводились для одной стороны истечения приточного воздуха, вторая сторона считается симметричной.
>
Mean of Velocity: Magnitude (m/s)
i 0.10 0.15 0.20 0.05 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 060 0.65 0.70 0.75
Рис. 4. Наглядное представление поля скоростей при L=100 м3/ч в программе STAR-CCM+
2. Численное моделирование
Численное моделирование было произведено для расчетной области (аэродинамический стенд научно-исследовательской лаборатории аэродинамики и акустики завода «Арктос») размерами 20х12 м и высотой 10 м, совпадающей с условиями проведения натурных испытаний.
Численное моделирование производилось в программе STAR-CCM+ 12.04, лицензия Санкт-Петербургского Государственного архитектурно-строительного университета (учебная версия). STAR-CCM+ обеспечивает весь процесс моделирования задачи в единой интегрированной программной среде. Этот подход отличается простотой использования и автоматизацией подготовки CAD-моделей, сетки, что позволяет добиваться лучших результатов быстрее и точнее.
Для описания турбулентных величин принята модель турбулентности k-epsilon. В ней используется система двух нелинейных диффузионных уравнений - для массовой плотности турбулентной кинетической энергии k и скорости диссипации турбулентной кинетической энергии е. Простейший вариант данной модели появился более тридцати лет тому назад [7]. С тех пор k-e модель широко используется для решения задач вентиляции [2].
Адекватность сетки проверялась методом сеточной сходимости: при измельчении сетки, основные расчетные параметры должны оставаться неизменными. В результате для модели турбулентности k-e сетка состоит приблизительно из 2,1 млн. ячеек.
3. Обработка и анализ полученных результатов
В ходе исследования с помощью численного моделирования и физического эксперимента в определенных точках (рис. 3) были получены значения скорости приточной струи при заданном расходе воздуха. Разница между расходом, принятым при численном моделировании и натурном эксперименте, составляет 5,6%.
Для анализа результатов физического эксперимента использовались усреднённые мгновенные значения скорости воздуха (1440 значений). Рассчитана средняя квадратичная погрешность, как наилучший критерий оценки точности измерения. Так как она усиливает влияние более крупных погрешностей на результат оценки точности ряда измерений (табл. 1).
Как следует из представленных значений (табл. 1) уже на расстоянии 0,5 от воздухораспределителя турбулентность потока достигает 100%, что способствует быстрому затуханию струи.
Графическое представление поля скоростей при L=106 м3/ч на расстоянии x=0,5 м от воздухораспределителя ВСН 400x250 показано на рисунке 5.
Таблица 1. Усредненные значения мгновенных скоростей воздуха при натурном эксперименте, с учетом
средней квадратичной погрешности
Поле скоростей на плоскости, расположенной перпендикулярно течению воздуха на расстоянии 0,5 м относительно лицевой панели ВСН (шаг 10 см), м/е
шаг, см левая сторона
20 30 40 50 60 70 80 90
40 0.074± ±0.042 0.087± 0.046 0.096± 0.049 0.120± 0.05 0.143± 0.054 0.185± 0.075 0.172± 0.094 0.148± 0.09
30 0.039± 0.048 0.057± 0.055 0.080± 0.059 0.109± 0.08 0.229± 0.089 0.290± 0.104 0.213± 0.105 0.148± 0.078
20 0.065± 0.039 0.088± 0.056 0.120± 0.072 0.219± 0.107 0.308± 0.093 0.306± 0.119 0.193± 0.085 0.135± 0.05
10 0.064± 0.027 0.090± 0.043 0.133± 0.089 0.203± 0.124 0.239± 0.09 0.269± 0.104 0.195± 0.083 0.125± 0.05
0 0.043± 0.035 0.084± 0.061 0.181± 0.115 0.224± 0.086 0.205± 0.086 0.149±0 .094 0.071±0 .056 0.04±0. 033
-10 0.055± 0.03 0.083± 0.046 0.205± 0.098 0.395± 0.122 0.254± 0.145 0.099± 0.076 0.048± 0.044 0.040± 0.034
-20 0.035± 0.028 0.065± 0.05 0.167± 0.097 0.297± 0.131 0.291± 0.17 0.150± 0.098 0.049± 0.042 0.027± 0.024
-30 0.051± 0.017 0.053± 0.017 0.052± 0.018 0.056± 0.013 0.051± 0.02 0.060± 0.025 0.061± 0.039 0.051± 0.048
Л
40
30
20
10
л
Значение скорости, м/с
■ 0,300-0,400
□ 0,200-0,300
■ 0,100-0,200
□ 0,000-0,100
Рис. 5. Графическое представление поля скоростей при Ь=106 м3/ч на расстоянии х=0.5 м от воздухораспределителя ВСН 400x250
При численном моделировании, как и в физическом эксперименте, наблюдается нестабильный поток воздуха, что видно по графику (рис. 6). Для сравнения с результатами физического эксперимента использовались усреднённые значения скорости за последние 300 итераций (табл. 2).
Рис. 6. График колебания скоростей в 64 точках в программе ЗТЛК-ССМ+
Таблица 2. Усредненные значения мгновенных скоростей воздуха, полученных при численном
моделировании
Поле скоростей на плоскости, расположенной перпендикулярно течению воздуха на расстоянии 0,5 м относительно лицевой панели ВСН (шаг 10 см), м/е
шаг, см левая сторона
20 30 40 50 60 70 80 90
40 0.014 0.014 0.023 0.014 0.023 0.014 0.014 0.014
30 0.016 0.015 0.140 0.015 0.015 0.015 0.015 0.015
20 0.016 0.016 0.014 0.017 0.023 0.015 0.017 0.017
10 0.015 0.016 0.015 0.249 0.262 0.431 0.025 0.022
0 0.01 0.053 0.016 0.196 0.715 0.524 0.037 0.024
-10 0.013 0.046 0.018 0.289 0.562 0.716 0.082 0.053
-20 0.015 0.019 0.196 0.029 0.070 0.054 0.033 0.023
-30 0.015 0.016 0.249 0.020 0.024 0.024 0.024 0.021
Сравнение полученных результатов демонстрирует, что в большинстве точек наблюдается несовпадение значений скорости по результатам физического и численного эксперимента, отличие наблюдается для 77% точек. Максимальное значение средней скорости при численном моделировании равно 0.715 м/с, а при физическом эксперименте - 0.395 м/с, разница почти в 2 раза. Минимальное значение средней скорости при численном моделировании равно 0.01 м/с, а при физическом эксперименте - 0.027 м/с.
Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что существенное расхождение в результатах численного моделирования и натурного эксперимента объясняется характером формируемого потока. При обтекании сложной внутренней конструкции воздухораспределителя, на выходе из него образуется множество мелких вихрей, которые и формируют высокотурбулентный быстрозатухающий поток. При численном моделировании с использованием k-e модели турбулентности формирование мелких вихрей на истечении из воздухораспределителя не рассчитывается корректно. Поэтому применение численного моделирования с использованием k-e модели турбулентности для подобных сложных изделий, формирующего высокотурбулентный быстрозатухающий нестабильный поток, не дает точных значений. Предположительно для получения корректных значений необходимо использовать другой метод решения уравнений Навье-Стокса - метод крупных вихрей (LES) в программе
STAR-CCM, при которой получается гораздо более измельченная расчетная сетка и большие
масштабы турбулентности рассчитываются явно, а эффекты более мелких вихрей
моделируются с использованием правил подсеточного замыкания.
Список литературы
1. Гримитлин А.М. Математическое моделирование в проектировании систем вентиляции и кондиционирования/ А.М. Гримитлин, Т.А. Дацюк, Д.М. Денисихина. М.: Изд-во «АВОК Северо Запад», 2013. 192 с.
2. Кочарьянц К.В. Численное моделирование воздухораспределения веерными настилающимися струями. Выбор модели турбулентности // Вестник гражданских инженеров, 2016. № 4 (57).
3. Денисихина Д.М. Модель человека в задачах расчета распределенных параметров микроклимата в помещении // Известия КГАСУ, 2015. № 2 (32). С. 192-199.
4. Кочарьянц К.В., Денисихина Д.М. Непостоянство кинематического коэффициента при истечении из современных воздухораспределительных устройств // Научное обозрение, 2017. № 10.
5. Каталог продукции Воздухораспределители завода «Арктос», 2017.
6. ГОСТ 12.3.018-79 ССБТ. Системы вентиляционные. Методы аэродинамических испытаний / М.: ИПК Издательство стандартов, 2001.
7. Авраменко М.И. О k-е модели турбулентности. 2-е изд., перераб. и доп. Снежинск, 2010. С.111-117.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДИК РАСЧЕТА БОРТОВЫХ
ОТСОСОВ Шарифуллин В.М.
Шарифуллин Владислав Марсович — магистрант, кафедра теплогазоснабжения и вентиляции, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, г. Санкт-Петербург
Аннотация: предметом исследования являются бортовые отсосы от гальванических ванн. Объект исследования - методики расчета бортовых отсосов. Производится сравнение методик расчета с условием обеспечения необходимого количества объемного расхода воздуха, удаляемого от ванн для соблюдения концентраций вредных веществ в рабочей зоне помещений гальванических цехов. Для этого выполняется расчет бортового отсоса тремя методами. Приводятся необходимые начальные данные для каждого метода расчета, затем анализируются коэффициенты, содержащиеся в методике. На основе полученных результатов делается вывод о том, какое влияние оказывают коэффициенты на конечный результат, какая методика наиболее полно использует все начальные данные, а также рассматривается соответствие полученных результатов объемного расхода воздуха нормативным характеристикам при конструировании бортовых отсосов. Ключевые слова: местная вытяжная вентиляция, бортовые отсосы, гальванические ванны.
Производственные процессы, как правило, сопровождаются выделением в окружающую среду побочных веществ, негативно влияющих на экологическую обстановку, и, как следствие, на здоровье людей. Выбор решения по способу удаления вредных веществ и конструкции вентиляционного укрытия всегда остается важнейшей задачей для исследований в области местной вытяжной вентиляции.
Местная вытяжная (локализующая) вентиляция предназначена для удаления вредных веществ непосредственно от мест их выделения на различных производствах и предприятиях химической, металлургической и другой промышленности, где в результате рабочего процесса происходит выделение в воздух цементной, древесной и металлической пыли, выхлопных газов, дыма от сварки, различных масляных аэрозолей и других загрязнений, и вредных веществ. Удаление производится при помощи специальных устройств (местных отсосов).
Бортовые отсосы получили широкое распространение в гальванических цехах, при обезжиривании и травлении металла, при антикоррозийных и декоративных покрытиях, к которым относятся процессы цинкования, хромирования, никелирования и др.
