CC BY
18
ВЕСТНИК ИНЖЕНЕРНОЙ ШКОЛЫ ДВФУ. 2012. № 1 (10)
строительство и архитектура
УДК 624.131.042 Мальков Н.М., Кушова Д.А.
МАЛЬКОВ НИКОЛАЙ МИХАЙЛОВИЧ - доцент кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Е-маП: [email protected]
КУШОВА ДАРЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА - магистрант кафедры гидротехники, теории зданий и сооружений Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). Е-маП: [email protected].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ОБТЕКАНИЯ ГАЗООТВОДЯЩИХ СТВОЛОВ ВЫТЯЖНЫХ БАШЕН
Приведены методы исследования взаимного влияния труб газоходов и обстройки башни при воздействии ветра. Описаны преимущества численного моделирования физического процесса движения газа. Указаны методы решения уравнений Навье-Стокса, на которых основывается математическая модель численного эксперимента. Выделены возможности программного комплекса STAR-CD, основанного на методе конечных объемов, для проведения исследования воздействия ветрового потока на пакет из пяти труб.
Ключевые слова: вытяжные башни, ветровая нагрузка, аэродинамические коэффициенты, численное моделирование.
Formulation of the problem of numerical modeling of the flow process of gas-escape pipes of the exhaust towers. Darya A. Kushova, Nikolai M. Malkov (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
The paper presents the methods of mutual influence of flue pipes and pipe rigging towers under the wind forcing. The advantages of numerical modeling of the physical process of the gas (the so-called numerical experiment) are described. The methods for solving the Navier-Stokes equations, which is based on the mathematical model for numerical simulation, are indicated. The possibility of software package STAR-CD, based on the finite volume method to study the impact of wind flow in a package of five pipes is highlighted.
Key words: exhaust towers, wind load, aerodynamic factors, and the numerical simulation.
Во многих районах нашей страны на муниципальном уровне актуальной задачей является реконструкция существующих производств по выработке тепла и перевод их на новые технологии. В котельных, которые переводят их на новое топливо, заменяют котлы. Кроме того, требуется замена многих звеньев технологического процесса выработки тепла, которые уже исчерпали свой ресурс. В частности, необходима замена дымовых труб. Для устойчивой работы котельной часто необходимо иметь несколько газоотводящих стволов.
© Мальков Н.М., Кушова Д.А., 2012
Эта проблема эффективно решается с помощью вытяжных башен. Поскольку в небольших городах и поселках мощность котельных невелика, для отвода газов необходимо 2-5 дымовые трубы сравнительно небольшой высоты (30-50 м).
Основной нагрузкой, действующей на вытяжные башни, является ветровая, зависящая от скорости ветра, определяемой ветровым районом, и аэродинамических коэффициентов, определяемых профилем сооружения или его элемента. Большая высота и неблагоприятные аэродинамические формы конструкций башенных сооружений с пакетами труб делает их весьма чувствительными к действию ветровой нагрузки. В нормативной литературе отсутствуют данные исследований взаимного аэродинамического влияния труб газоотводящих стволов друг на друга и влияния обстройки башни на газоходы [4-9].
Целью нашей работы является определение давления ветра на башенные сооружения с пакетами дымовых труб.
Самые надежные результаты исследования взаимного влияния труб газоходов и об-стройства башни можно получить из экспериментальных исследований путем обдувки полномасштабной модели для изучения поведения объекта в натурных условиях [2]. Недостаток этого метода - трудоемкость и дороговизна. Более доступным методом является эксперимент на маломасштабных моделях. Однако и он имеет ряд недостатков, главный из которых - невозможность воспроизвести на маломасштабной модели все свойства полномасштабного объекта, и, как результат, - погрешности в измерении.
Альтернативой этим методам может служить численное моделирование физического процесса движения газа (так называемый численный эксперимент). Математическая модель данного эксперимента основывается на дифференциальных уравнениях Навье-Стокса. Следует отметить, что точные решения этих уравнений существуют лишь для некоторых частных случаев, являющихся самостоятельной задачей. Кроме того, эти решения часто содержат бесконечные ряды, специальные функции, трансцендентные уравнения для собственных значений и т.д. Их числовая оценка может представлять весьма трудную задачу [1]. Для остальных ситуаций используется численное моделирование с применением газодинамических CFD (Computational fluid dynamics) комплексов. При этом нужно учитывать, что чем больше показателей, влияющих на характер потока газовой среды, принимается, тем менее точный результат мы получим при решении задачи. Поэтому за основные критерии принимаем число Рейнольдса, угол атаки ветрового потока, действующего на пакет труб, и физические характеристики газовой среды (воздуха). Численное моделирование имеет ряд преимуществ, к которым относятся низкая стоимость, быстрота проведения вычислений, полнота измерений (численное решение задачи дает подробную и полную информацию, с его помощью можно найти значения всех имеющихся переменных во всей области решения), возможность математического моделирования реальных условий [10, 11].
Существует четыре основных метода для решений уравнений Навье-Стокса: метод конечных разностей, конечных элементов, конечного объема и спектральный метод. Как правило, все методы реализуются в два этапа. На первом этапе все уравнения в частных производных сводятся к алгебраическим выражениям, из которых затем и получаются значения зависимых переменных (скорость, давление, температура и т.д.) для конечного количества точек в пределах области решения. Этот этап по-другому называют дискретизацией уравнений. На втором этапе производится решение алгебраических выражений с помощью приемлемого алгоритма расчета. Каждый тип CFD-моделирования реализует свой способ дискретизации основных уравнений. Как показывает практика, наиболее гибким и технологичным для данной задачи является метод конечных объемов.
На методе конечных объемов основан программный комплекс STAR-CD. Универсальный программный комплекс для решения задач механики жидкостей и газов. STAR-CD является многоцелевым, единым тяжелым CFD-пакетом разработки CD, первым включившим процедуру так называемых скользящих сеток. Эффективная параллелизация алгоритма решения, основанного на применении метода конечных объемов, в сочетании с уникальными методиками автоматизированного разбиения области течения позволяют моделировать задачи любой степени геометрической сложности.
В этом случае вся область решения разбивается на большое число многогранных контрольных объемов, или ячеек, которые взаимно связываются между собой по своим граням. Структура, сформированная путем соединения всех ячеек, именуется расчетной сеткой. Формы ячеек могут быть различными. Наиболее часто используются шести- и четырехгранники, но метод контрольного объема применяется и для ячеек с произвольным числом поверхностей (пирамида, призма, многогранник). Выполняется расчет потока, проходящего через грани ячейки. Потоки, циркулирующие через грань ячейки, рассчитываются на базе геометрических параметров и значений искомых переменных в центре тяжести ячейки и центрах тяжести граней, общих с соседними ячейками. Эти отношения потоков представляют собой аппроксимацию точных соотношений, которые можно вывести из основных уравнений. В дополнение к потоковым выражениям, входящим в ячейку и покидающим ее, необходимо вывести выражения, описывающие источники и приемники в ячейке. Покидающий ячейку поток, описываемый зависимыми переменными, эквивалентен потоку, поступающему в соседнюю ячейку. Значения искомых переменных в центре ячейки рассчитывается из балансного соотношения входящих и выходящих из ячейки потоков (т.е. соотношения приемников и источников в ячейке).
Нами исследуется воздействие ветрового потока на пакет из пяти труб с помощью метода конечных объемов. Исследования проводятся с применением вычислительного комплекса STAR-CD, основывающемся на методе конечных объемов.
Целями численного эксперимента являются следующие.
1. Определение значений давления от ветрового воздействия в точках на поверхности
труб.
2. Получение интегральных характеристик потока (продольного и поперечного аэродинамических коэффициентов) для каждой трубы и для всего пакета в целом.
3. Изучение величин и направлений скоростей и характеристик течения в непосредственной близости от цилиндров.
Для проверки достоверности полученных результатов выполняется моделирование воздействия ветра на одиночную трубу. Полученные результаты сравниваются с существующими экспериментальными данными для такой же трубы. Если погрешность результатов, полученных в программном комплексе STAR-CD, будет невелика, то следующим этапом будет выполнение расчета для комплекса из пяти труб и комплекса из пяти труб с обстройкой.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Атаманчук А.В. Ветровые нагрузки на элементы трехгранных башен и пакеты вытяжных труб // Металлические конструкции. 2007. Т.13, № 1. С. 16-24.
2. Березин М. А., Катюшин В. В. Атлас аэродинамических характеристик строительных конструкций. Новосибирск: Олденполиграфия, 2003. 130 с.
3. Большаков В.А., Попов В.Н. Гидравлика: уч. для вузов. Киев: Выща шк, 1989. 215 с.
4. Гордеев В.Н., лантух-Дященко А.И., Пашинский В.А., Перельмутер А.В., Пичугин С.Ф. Нагрузки и воздействия на здания и сооружения. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2008. 482 с.
5. Руководство по расчету зданий и сооружений на действие ветра. М.: Стройиздат, 1978. 216 с.
6. Савицкий Г. А. Ветровая нагрузка на сооружения. М.: Стройиздат, 1972. 112 с.
7. Симиу Э., Сканлан Р. Воздействие ветра на здания и сооружения. М.: Стройиздат, 1984. 360 с.
8. СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия». Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85. М.: Мин-во регион. развития Российской Федерации, 2011. 79 с.
9. Солодарь М.Б., Кузнецова М.В., Плишкин Ю.С. Металлические конструкции вытяжных башен. Д.: Стройиздат, 1975. 186 с.
10.Чернышев Д.Д. Исследование обтекания пакета трех труб ветровым потоком с помощью метода контрольных объемов // Промышленное и гражданское строительство. 2009. № 11. С. 40-42.
11. Чернышев Д.Д. Развитие методики расчета башенных сооружений с пакетами вытяжных труб на ветровую нагрузку // Строительная механика и расчет сооружений. 2010. № 3. С. 74-80.
