CC BY
31
УДК 533:519.63 DOI: 10.15350/17270529.2019.3.42
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕЧЕНИЯ ВОЗДУХА В РАБОЧЕМ ОБЪЕМЕ ВОЗДУШНО-ТЕПЛОВОЙ ЗАВЕСЫ
1 2королева м. р., 1сбоева т. а., 1фертикова д. с., 1чернова а. а.
1 Ижевский государственный технический университет имени М.Т. Калашникова, 426069, г. Ижевск, ул. Студенческая, 7
Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34
АННОТАЦИЯ. Исследуются газодинамические процессы во внутреннем (рабочем) объеме воздушно-тепловой завесы (ВТЗ). Задача решается в плоской постановке без учёта вращения вентилятора, что позволяет использовать неподвижную расчетную сетку. Расчет холодной продувки рабочих полостей ВТЗ позволит определить локальные характеристики течения, отработать методику проведения численного эксперимента, оценить корректность принятых допущений при построении математической модели. Для численного моделирования используется открытая интегрируемая платформа OpenFoam. В результате численного эксперимента определены потери давления и максимальные значения скорости потока при значениях расхода воздуха 500 м3/ч и 2000 м3/ч. Получены и приведены мгновенные распределения скорости и давления в рабочем объеме тепловой завесы. Показано, что при различной пропускной способности системы максимальная скорость воздуха изменяется от 10 м/с до 41 м/с, средняя выходная скорость потока от 3 до 9 м/с, потери давления составляют от 50 Па до 1430 Па.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: воздушно-тепловая завеса, газодинамика, математическое моделирование, численные методы, метод контрольного объема, неподвижная сетка.
ВВЕДЕНИЕ
Тепловая завеса - электромеханическое устройство, основной целью использования которого является поддержание температуры воздуха в помещении в заданных пределах. При эксплуатации помещений с большим потоком проходящих людей или транспорта неизбежно имеют место потери тепла через открывающиеся проемы - разгрузочные окна, проходы, входные двери и ворота. К таким помещениям относятся супермаркеты, больницы, спортивные объекты (например, бассейны), организации сферы услуг (театры, гостиницы, рестораны и т.п.), аэропорты, вокзалы, общественный транспорт (автобусы, метро, элекропоезда), производственные и складские помещения. В ряде случаев использование тепловых завес является не только решением вопроса поддержания микроклимата помещений для комфортного нахождения людей, но и позволяет обеспечить выполнение особых технологических требований, например, к хранению продуктов питания, т.к. тепловые завесы могут ограничивать как поступление холодного воздуха в помещение в зимний период, так и подачу горячего воздуха летом. Кроме этого завесы препятствуют проникновению внутрь насекомых, пыли, дыма, неприятных запахов и т.д. Но по большей части воздушно-тепловые завесы используются для разделения зон с различной температурой воздушной среды по разные стороны открытых проемов.
СНиП 41-01 -2003 регламентирует установку завес в следующих случаях [1]:
- у постоянно открытых проемов в наружных стенах помещений, а также у ворот и проемов в наружных стенах, не имеющих тамбуров и открывающихся более пяти раз или не менее, чем на 40 минут в смену в районах с расчетной температурой наружного воздуха минус 15 °С и ниже;
- у наружных дверей вестибюлей общественных и административно-бытовых зданий -в зависимости от расчетной температуры наружного воздуха и числа людей, проходящих через двери в течение 1 ч при температуре, °С:
- -15 ^ -25 - 400 человек и более;
- -26 ^ -40 - 250 человек и более;
- ниже -40 - 100 человек и более;
- у наружных дверей помещений с повышенной влажностью;
- у проемов во внутренних стенах и перегородках производственных помещений для предотвращения перетекания воздуха из одного помещения в другое;
- у дверей и ворот помещений с кондиционированием воздуха.
Теоретические методы расчета воздушных завес разрабатывались российскими учеными начиная с 1936 г. Большинство работ посвящено расчету формы и траектории оси воздушных струй в помещении после их истечения из воздушно-тепловой завесы [2 - 8]. Исследования же процессов газодинамики воздуха и теплообмена, протекающих в рабочих (внутренних) полостях завесы практически не проводились. Численные исследования газодинамических процессов в рабочем объеме воздушно-тепловой завесы необходимы для расчета характеристик работы устройства (производительность по воздуху, уровень шума, сфокусированность и средняя температура выходной струи, аэродинамические потери в проточной части завесы), а также для оптимизации конструкции завесы - геометрии рабочего пространства для обеспечения требуемых параметров струи на выходе.
В представленной работе для численного моделирования используются библиотеки открытой интегрируемой платформы для численного моделирования задач механики сплошных сред OpenFoam 2.0 [9], а также возможности открытой интегрируемой платформы Salome 8.3.0 [10].
ОПИСАНИЕ ГЕОМЕТРИИ ВОЗДУШНО-ТЕПЛОВОЙ ЗАВЕСЫ
Типовая конструкция воздушно-тепловой завесы включает воздухонагреватель, вентилятор, сопло для выхода струи. Вентилятор всасывает воздух из помещения через перфорированную стенку корпуса, поток воздуха нагревается в воздухонагревателе, после чего вентилятор выбрасывает поток через сопло в виде струи в плоскости проема. Мощность вентилятора напрямую зависит от напора, который необходимо создать на выходе из него, а для того, чтобы определить величину этого давления, требуется произвести расчет параметров потока на всем пути движения воздуха. Настоящая работа направлена на исследование работы ВТЗ в режиме продувки. Исследуемая конструкция воздушно-тепловой завесы представлена на рис. 1. Рассматривается тангенциальный вентилятор, состоящий из рабочего колеса 1, входного патрубка 2, выходного диффузора 3 и корпуса 4. Рабочее колесо представляет собой цилиндр с равномерно размещенными 36 лопастями, загнутыми вперед.
Рис. 1. Геометрия расчетной области
При моделировании используются следующие допущения и упрощения:
- вентилятор не вращается (сетка неподвижна),
- задача решается в плоской постановке,
- газ характеризуется постоянными коэффициентами вязкости и теплопроводности,
- турбулентность потока не учитывается.
Проведение подобных подготовительных расчетов позволяет протестировать математическую модель, изучить особенности геометрии, оценить диапазон изменения параметров течения.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Для математического моделирования течения воздуха во внутреннем объеме тепловой завесы, решается система уравнений движения вязкого сжимаемого газа, дополненная уравнением состояния:
др+сри+ dpv=Q ^
dt dx dy
дри + дри2 + дриу = др | дтхх | dTyx dt dx dy dx dx dy
dpv + dpiiv | dpv2 = др | d^xy | T dt dx dy dy dx dy
dpE | dpHu | dpHv _ du Tx | | , db^-^J-bL (4)
dt dx öy dx öy dx öy dx Sx '
p = prt, (5)
где p - давление; p - плотность; u, v - компоненты вектора скорости; т - тензор напряжений; E - энергия; H - энтальпия; q - тепловой поток; T - температура; R = 287 Дж/(кг-К) -удельная газовая постоянная. Коэффициенты вязкости и теплопроводности считаются постоянными ¡ = 1,8510-5 Па с, X = 0,0259 Вт/(м К).
Граничные условия для системы уравнений (1) - (5) задаются следующим образом. На входе в область задается массовый расход и температура воздуха, на выходе -статическое давление, равное атмосферному. Задаются величины расхода, соответствующие
3 3
производительности завесы 500 м /ч и 2000 м /ч, температура воздуха соответствует 40 °С. На стенках корпуса и рабочего колеса задается условие прилипания.
МЕТОД РЕШЕНИЯ
В openFoam математическая модель (1) - (5) реализована в ряде библиотек, предназначенных для расчета сжимаемых течений газа. В данной работе используется решатель rhoPimpleFoam [9]. Данный решатель предназначен для расчета нестационарных течений сжимаемой среды, в том числе дозвуковых потоков с использованием алгоритма PIMPLE, который является слиянием алгоритмов PISO (Pressure Implicit with Splitting of Operators) и SIMPLE [11, 12] и алгоритма решения уравнений методом контрольного объема [13].
Для построения геометрии и расчетной сетки использовалась открытая интегрируемая платформа Salome 8.3.0 [10]. Построение геометрии и сетки осуществляется в несколько этапов. На начальном этапе проектирования разрабатывается плоская цифровая модель расчетной области, из которой файл в формате *.iges импортировался в геометрический модуль приложения Salome. Здесь проводится группировка и задание граничных
поверхностей геометрии. Далее в сеточном модуле Salome область разбивается на конечно-объемные элементы. На втором этапе при использовании утилиты конвертирования сетки ideasUnvToFoam построенная в Salome сетка преобразуется в формат воспринимаемый openFoam. Задача решается на неподвижной сетке. Мощность конечно-объемной сетки (рис. 2) из треугольных ячеек составляет 21300 элементов.
Рис. 2. Расчетная сетка
РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТОВ
В результате проведенного численного моделирования были получены поля давления и скорости воздуха в объеме ВТЗ. Визуализация полученных данных проведена с помощью пакета ParaView [14].
Мгновенное распределение давления и скорости к моменту времени 3 с показаны на
3 3
рис. 3. Левая колонка рисунков соответствуют расходу воздуха 500 м /ч, правая - 2000 м /ч.
Структура течения за вентилятором неоднородная и нестационарная, сопровождается формированием вихрей в пространстве между лопастями вентилятора, отрывных зон на задней стенке корпуса и последующим сносом их вниз по потоку, где происходит их взаимодействие с потоком, поступающим из узкого (критического) зазора между стенкой корпуса ВТЗ и лопастями вентилятора - вблизи передней стенки корпуса ВТЗ. Течение газа, поступающее из узкого зазора, имеет струйный характер с максимальной скоростью течения и оттесняет основной поток к стенке ВТЗ, в виду чего за «струей» образуются циркуляционные зоны, частично поступающие в выходное сечение ВТЗ.
В случае подачи воздуха с расходом 500 м3/ч при прохождении потока через узкие места геометрии скорость возрастает свыше 10 м/с. Формируемый перепад давлений составляет около 50 Па.
Увеличение расхода до 2000 м /ч существенно не влияет на структуру течения, а лишь приводит к укрупнению отрывных и циркуляционных зон вблизи стенок корпуса ВТЗ. Выявлено изменение числовых характеристик потока при увеличении расхода до 2000 м3/ч. Так отмечен рост максимальной скорости в критических сечениях до 41 м/с и увеличение потерь давления до 1430 Па.
Поскольку газодинамические и теплофизические процессы, протекающие в рабочем объема ВТЗ существенно определяются режимами вращения вентилятора, можно предположить, что динамика воздушного потока сильно измениться при учете вращении вентилятора. В этом случае структура течения на выходе из корпуса должна стать более равномерной.
а) б)
Рис. 3. Поле скорости, давления и картина течения в объеме ВТЗ при расходе воздуха:
а) 500 м3/ч, б) 2000 м3/ч
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Выполненные расчеты соответствуют начальному этапу исследований газодинамических процессов в рабочем объеме ВТЗ. Предварительные расчеты на неподвижной сетке показали, что структура течения за вентилятором в полости ВТЗ неоднородная. При различной пропускной способности системы максимальная скорость воздуха изменяется от 10 м/с до 41 м/с, а потери давления от 50 Па до 1400 Па. Выполненная настройка численной схемы в пакете openFoam может быть использована для дальнейших исследований. Следующий этап работы будет проводиться с учетом вращения вентилятора, что потребует усложнения расчетной модели введением подвижной части сетки.
Работа выполнена при финансовой поддержке гранта для учёных ФГБОУ ВО "ИжГТУ имениМ.Т. Калашникова" 01.04.03/18КМР.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП 41-01-2003. Строительные нормы и правила. Отопление, вентиляция и кондиционирование. М.: ДЕАН, 2010. 144 с.
2. Григорьев А. Ю., Жигновская Д. В. Обзор и анализ аэро-и термодинамических процессов в проеме с воздушно-тепловой завесой // Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: Холодильная техника и кондиционирование. 2016. № 4. С. 6-15.
3. Григорьев А. Ю., Рубцов И. А., Воронов Д. А., Савенко Н. А., Райков А. А., Бавеян Х. С. Экспериментальные и расчетные исследования пусковых режимов работы воздушно-тепловой завесы // Вестник Международной академии холода. 2015. № 2. С. 40-45.
4. Насибуллин Р. Р., Галеев А. Д., Поникаров С. И. Оценка эффективности тепловой газовоздушной завесы на основе численного моделирования // Вестник технологического университета. 2015. Т. 18, № 18. С. 191-194.
5. Моделирование теплового состояния помещения при различных системах отопления с применением программного комплекса ANSYS. URL: http://www.cadfem-cis.ru/news/single/modelirovanie-te-5/ (дата обращения 22.03.2019).
6. Гилязетдинов Р. А., Веригина Д. А. Численное моделирование воздушных режимов в помещениях // Технические и математические науки. Студенческий научный форум: электр. сб. ст. по мат. III междунар. студ. науч.-практ. конф. 2018. № 3(3). С. 17-22. URL: https://nauchforum.ru/archive/SNF tech/3%283%29.pdf (дата обращения 22.03.2019).
7. Дискин М. Е. К вопросу о расчете воздушных завес // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2003. № 7. C. 58-65.
8. Круглова Е. С. Разработка ресурсосберегающих воздушно-тепловых завес для поддержания нормируемых параметров микроклимата в производственных помещениях АПК: Aвтореферат дис. канд. техн. наук. Челябинск, 2006. 21 c.
9. OpenFoam. Free CFD Software. URL: http://openfoam.org/ (дата обращения 22.03.2019).
10. Salome. Version 8.3.0. URL: http://www.salome-platform.org/ (дата обращения 22.03.2019).
11. Issa R. I. Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting // Journal of Computational Physics, 1986, vol. 62, iss. 1, pp. 40-65.
12. Jang D. S., Jetli R., Acharya S. Comparison of the PISO, SIMPLER, and SIMPLEC algorithms for the treatment of the pressure-velocity coupling in steady flow problems // Numerical Heat Transfer, 1986, vol. 10, iss. 3, pp. 209-228.
13. Патанкар С. В. Численное решение задач теплопроводности и конвективного теплообмена при течениях в каналах / пер. с англ. Е.В. Калабина, под ред. Г.Г. Янькова. М.: Изд-во МЭИ, 2003. 312 с.
14. ParaView. URL: http://www.paraview.org (дата обращения 22.03.2019).
THE STUDY OF AIR FLOW IN THE WORKING VOLUME OF THE AIR-THERMAL CURTAIN
1 2Koroleva M. R., 'Sboeva T. A., 'Fertikova D. S., 'Chernova A. A.
1 Kalashnikov Izhevsk State Technical University, Izhevsk, Russia
2 Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Science, Izhevsk, Russia
SUMMARY. Gas-dynamic processes in the internal volume of the air-heat curtain are investigated. The problem is solved in a plane formulation without taking into account the rotation of the fan. It allows us to use a fixed computational mesh. The calculation of the air-heat curtain corpus vent will determine the local flow properties, work out the numerical experiment methodology, evaluate the accepted assumptions in mathematical model. For numerical simulation, the open integrable platform for numerical simulation of continuum mechanics problems OpenFoam is used. The computational grid is built using the open integrable platform Salome. The visualization of the results obtained is carried out using an open graphic cross-platform package for interactive visualization of data ParaView. Pressure losses and maximum velocity are determined at air
flow rates of 500 m3/h and 2000 m3/h. The instantaneous distributions of velocity and pressure in the working volume of the air-heat curtain are given. It is shown that at different system capacity the maximum air velocity varies from 10 m/s to 41 m/s, and the pressure loss ranges from 50 Pa to 1430 Pa. It is determined that the used numerical scheme settings in the openFoam package can be used for further researches.
KEYWORDS: air-thermal curtain, gas dynamics, mathematical modeling, numerical methods, fixed grid. REFERENCES
1. SNiP 41-01-2003. Stroitel'nye normy i pravila. Otoplenie, ventilyatsiya i konditsionirovanie [SNiP 41-01-2003. Building regulations. Heating, ventilation and air conditioning]. Moscow: DEAN Publ., 2010. 144 p.
2. Grigor'ev A. Yu., Zhignovskaya D. V. Obzor i analiz aero-i termodinamicheskikh protsessov v proeme s vozdushno-teplovoi zavesoi [The review and the analysis aero - and thermodynamic processes in an aperture with an air and thermal veil]. Nauchnyi zhurnal NIU ITMO. Seriya: Kholodil'naya tekhnika i konditsionirovanie [Scientific journal NRU ITMO. Series "Refrigeration and Air Conditioning"], 2016, no. 4, pp. 6-15. https://doi.org/10.17586/2310-1148-2016-9-4-6-15
3. Grigor'ev A. Yu., Rubtsov I. A., Voronov D. A., Savenko N. A., Raikov A. A., Baveyan Kh. S. Eksperimental'nye i raschetnye issledovaniya puskovykh rezhimov raboty vozdushno-teplovoi zavesy [Heated air curtain starting operating modes]. Vestnik Mezhdunarodnoi akademii kholoda [Journal of International Academy of Refrigeration], 2015, no. 2, pp. 40-45.
4. Nasibullin R. R., Galeev A.D., Ponikarov S.I. Otsenka effektivnosti teplovoi gazovozdushnoy zavesy na osnove chislennogo modelirovaniya [Evaluation of the effectiveness of a thermal air curtain based on numerical modeling]. Vestnik tekhnologicheskogo universiteta [Herald of Kazan Technological University], 2015, vol. 18, no. 18, pp. 191-194.
5. Modelirovanie teplovogo sostoyaniya pomeshcheniya pri razlichnykh sistemakh otopleniya s primeneniem programmnogo kompleksa ANSYS [Modeling the thermal state of a room with various heating systems using the ANSYS software package]. URL: http://www.cadfem-cis.ru/news/single/modelirovanie-te-5/ (accessed March 22, 2019).
6. Gilyazetdinov R. A., Verigina D. A. Chislennoe modelirovanie vozdushnykh rezhimov v pomeshcheniyakh [Numerical modeling of indoor air conditions]. Tekhnicheskie i matematicheskie nauki. Studencheskii nauchnyi forum. [Technical and mathematical sciences. Student Scientific Forum]. 2018, no. 3(3), pp. 17-22. URL: https://nauchforum.ru/archive/SNF tech/3%283%29.pdf (accessed March 22, 2019).
7. Diskin M. E. K voprosu o raschete vozdushnykh zaves [On the issue of calculating air curtains]. AVOK: Ventilyatsiya, otoplenie, konditsionirovanie vozdukha, teplosnabzhenie i stroitel'naya teplofizika [ABOK: Ventilation, Heating, Air Conditioning, Heat Supply and Building Thermal Physics], 2003, no. 7, pp. 58-65.
8. Kruglova E. S. Razrabotka resursosberegayushchikh vozdushno-teplovykh zaves dlyapodderzhaniya normiruemykh parametrov mikroklimata v proizvodstvennykh pomeshcheniyakh APK [Development of resource-saving air-thermal curtains to maintain standardized microclimate parameters in industrial premises of the agro-industrial complex]. Avtoreferat dis. kand. tekhn. nauk [Abstract of thesis. Cand. tech. Sciences]. Chelyabinsk, 2006. 21 p.
9. OpenFoam. Free CFD Software. URL: http://openfoam.org/ (accessed March 22, 2019).
10. Salome. Version 8.3.0. URL: http://www.salome-platform.org/ (accessed March 22, 2019).
11. Issa R. I. Solution of the implicitly discretised fluid flow equations by operator-splitting. Journal of Computational Physics, 1986, vol. 62, iss. 1, pp. 40-65. https://doi.org/10.1016/0021-9991(86)90099-9
12. Jang D. S., Jetli R., Acharya S. Comparison of the PISO, SIMPLER, and SIMPLEC algorithms for the treatment of the pressure-velocity coupling in steady flow problems. Numerical Heat Transfer, 1986, vol. 10, iss. 3, pp. 209-228. https://doi.org/10.1080/10407788608913517
13. Patankar S. V. Computation of Conduction and Duct Flow Heat Transfer. Publ. by Innovative Research Inc. USA,
1991.
14. ParaView. URL: http://www.paraview.org (accessed March 22, 2019).
Королева Мария Равилевна, кандидат физико-математических наук, доцент, старший научный сотрудник УдмФИЦ УрО РАН, тел. (3412)20-34-76; и.о. заведующего кафедрой «Механика и моделирование» ИжГТУ имениМ.Т. Калашникова, тел. (3412)77-60-55, e-mail: koroleva@udman.ru
Сбоева Татьяна Андреевна, магистрант кафедры «Механика и моделирование» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, тел. (3412)77-60-55, e-mail: sboevatanya1212@gmail.com
Фертикова Дарья Сергеевна, магистрант кафедры «Механика и моделирование» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, тел. (3412)77-60-55, e-mail: dashafertikova.96@mail.ru
Чернова Алена Алексеевна, кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Механика и моделирование» ИжГТУ имени М.Т. Калашникова, тел. (3412)77-60-55, e-mail: alicaaa@gmail.com
