Повышение энергоэффективности систем вентиляции посредством профилирования фасонных элементов

Зиганшин А.М.; Батрова К.Э.; Гимадиева Г.А.; Логачев К.И.; Аверкова О.А.

Раздел 3. Инженерное обеспечение

УДК 697.921.42+532.55

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМ ВЕНТИЛЯЦИИ ПОСРЕДСТВОМ ПРОФИЛИРОВАНИЯ ФАСОННЫ1Х ЭЛЕМЕНТОВ

Зиганшин А.М., Батрова К.Э., Гимадиева Г.А., Логачев К.И., Аверкова О.А.

ФГАОУ ВО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1, amziganshin@kgasu.ru; logachev.ki@bstu.ru

Аннотация. В статье рассматриваются вопросы области снижения энергозатратности вентиляционных систем. Приведен подробный анализ и обобщены результаты проведенных авторами исследований течений в фасонных элементах воздуховодных сетей, в частности, в отсосах-раструбах, несимметричных вытяжных тройниках; также представлены результаты численного и экспериментального изучения очертаний вихревых зон, образующихся при срыве потока с входной кромки средних и последних вытяжных отверстий воздуховодов. Численные исследования проведены с использованием программного комплекса Ansys Fluent. На основе полученных данных осуществлено численное моделирование и реализованы усовершенствованные конструкции фасонных элементов, спрофилированных по очертаниям вихревых зон. Результаты численных исследований проверены экспериментально. Показано, что для всех исследованных фасонных деталей использование профилирования приводит к существенному снижению их сопротивления. Получено снижение коэффициента местного сопротивления на величину от 30% до 60% в зависимости от конструкции и режимных параметров фасонных элементов. Для типоразмеров ряда фасонных элементов, в частности, входных участков вытяжных боковых и торцевых отверстий, обнаружено геометрическое подобие очертаний вихревых зон течений. Получены графические и аналитические зависимости для определения коэффициентов местного сопротивления энергоэффективных фасонных деталей и очертаний вихревых зон в них. Это позволит конструировать усовершенствованные фасонные детали при проектировании, строительстве новых и реконструкции существующих сетей воздуховодов систем вентиляции и кондиционирования. Использование в них профилированных фасонных деталей обеспечивает уменьшение эксплуатационных затрат за счет экономии электрической энергии на привод вентилятора и снижение капитальных вложений в объект вследствие возможности использования вентиляционного агрегата меньшей мощности и типоразмера.

Ключевые слова: системы вытяжной вентиляции, вихревые зоны, профилирование фасонных деталей, снижение энергозатрат.

ВВЕДЕНИЕ

Инженерные системы зданий потребляют значительное количество тепловой и электрической энергии. В системах вентиляции тепловая энергия идет на подогрев наружного приточного воздуха, а электрическая энергия - в основном на привод вентиляторов, которые перемещают необходимое количество воздуха по воздуховодным сетям. Затраты тепловой энергии прямо пропорциональны расходу перемещаемого воздуха. Его величина рассчитывается либо по санитарным нормативам, либо исходя из технологических нужд, ввиду чего уменьшить ее проблематично. Потребление электрической энергии вентиляционной системой пропорционально произведению расхода воздуха на потери давления в сети. Поскольку первый сомножитель, как было отмечено, изменять затруднительно, то, следовательно, затраты электроэнергии будут снижаться практически пропорционально уменьшению создаваемого вентилятором давления, расходуемого на

преодоление сопротивления воздуховодных сетей. Потери исходного напора большей частью приходятся на преодоление местных сопротивлений, то есть различных возмущений потока в фасонных элементах. Основные способы снижения падения давления в них сводятся к уменьшению или устранению отрывных или/и вихревых зон (ВЗ), возникающих при срыве потока с острой кромки или при отрыве пограничного слоя. Это вдув или отсос пограничного слоя, устройство поперечного оребрения стенки, скругление острых кромок, а также выравнивание потока при прохождении возмущающего элемента сети путем установки направляющих лопаток. Указанные способы, за исключением скругления стенки, на практике используются редко из-за эксплуатационных или конструктивных усложнений вентиляционных систем. Обычно способ скругления используют для внешних углов фасонных элементов, что не приводит к снижению сопротивления [1], а их внутренние кромки не скругляют из-за несколько большей сложности соединения деталей между собой при малых радиусах. При использовании фасонных деталей,

скругленных по большому радиусу, существенным недостатком становится невозможность их компактного размещения вследствие увеличения габаритов, что неприемлемо в стесненных, как правило, условиях монтажа вентиляционных сетей. Недостаток полностью преодолевается при применении способа профилирования по очертаниям вихревых зон [2]. При реализации этого способа возможны технические решения в виде установки профилирующей вставки внутрь стандартных фасонных деталей с острыми кромками, или в виде профилирования их стенок. Первое решение наиболее приемлемо для условий реконструкции крупных воздуховодных сетей с

использованием существующих технологических линий изготовления станадартных деталей, а второе более подходит для нового строительства и мелкоштучного изготовления фасонных деталей.

Одно из серьезных препятствий широкому распространению профилирования на практике -немалое число сочетаний конфигураций фасонных частей и схем движения потоков в них, от чего зависят очертания вихревых зон и их аэродинамические характеристики. Поэтому важной задачей становится нахождение обобщенных параметров возмущающих элементов фасонных частей и очертаний вихревых зон в них.

Таблица 1. Разделение фасонных элементов по схемам движения потоков и параметрам вихревых зон Table 1. Division of fitting elements according to flow patterns and parameters of vortex zones

Тип фасонного элемента Причина деформации потока Зависимость очертания ВЗ от

Слияние/ разделени е потоков Изменение соотношения расходов потоков режима течения* геометрии

сечения направления

Тройник + + + + + +

Крестовина + + + + + +

Отверстие среднее вытяжное + + + + + +

То же, приточное + + + + + +

Отвод - + + — + +

Внезапное расширение — + + — + +

Внезапное сужение - + + — + +

Отверстие торцевое вытяжное — + + — + +

То же, приточное — + + — + +

Отверстие последнее вытяжное — + + — + +

То же, приточное — + + — + +

*Автомодельность соблюдается для всех типов фасонных элементов

В таблице приведены примеры сочетаний схем движения потоков и типов фасонных элементов. Из нее следует, что по возможности профилирования по очертаниям вихревых зон они могут быть разделены на элементы со смешением/разделением потоков - это тройники, крестовины, вытяжные (приточные) средние отверстия, и элементы, где поток протекает без слияния и разделения - это сужения/расширения, торцевые и боковые последние отверстия. В первом случае очертания вихревых зон зависят от геометрии фасонной детали и режима течения (кроме автомодельного режима), а также от соотношения расходов основного и сливающегося (разделяющегося) потоков воздуха. Во втором же случае очертания вихревых зон зависят от геометрии фасонной детали и режима течения, с учетом автомодельности. Поэтому для типизации профилирующих вставок становится важным определение универсального профиля, при котором будет обеспечиваться минимальное (оптимальное) сопротивление фасонной детали, причем для первого случая это должно относиться еще и ко всему диапазону изменения отношения

протекающих расходов. Для практического использования энергоэффективных фасонных деталей необходимо также установление зависимостей по определению очертаний профилирующих вставок и расчету их сопротивлений.

Такие исследования наиболее рационально сейчас проводить посредством компьютерного моделирования с использованием методов вычислительной гидродинамики. Современные программные комплексы, реализующие эти методы, позволяют получать подробные характеристики течений, однако необходимо уже в начале исследований иметь данные для валидации получаемых численных результатов,. В качестве источников таких данных могут быть использованы достоверные результаты натурных экспериментов, аналитических решений или уже подтвержденных численных исследований.

АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ

Большинство работ по исследованиям течений в фасонных элементах систем вентиляции посвящено определению их сопротивления, изучению ряда характеристик течения - полей скорости, давления, параметров турбулентности. Реже изучались отрывные течения и способы совершенствования фасонных элементов с точки зрения снижения сопротивления.

Наиболее полным источником данных об аэродинамическом сопротивлении различных элементов на 1992 год является справочник И.Е. Идельчика [1]. Он широко используется и в зарубежных базах данных; к примеру, ASHRAE за 2002год [3] более чем на половину составлен по данным из [1]. По этим же данным рассчитываются 103 из 235 фитингов базы данных программы Autodesk Revit ® MEP (версия 2018 года) [4], реализующей BIM-технологии и позволяющей проводить аэродинамические расчеты

проектируемых систем вентиляции. Вместе с тем информации об очертаниях вихревых зон в справочниках [1, 3] нет. Для некоторых видов фасонных элементов в [1] приводятся сведения о возможных путях снижения сопротивления, с данными по эффекту снижения, чаще всего оценочного характера. По ним можно сделать вывод, что мероприятия по снижению сопротивления фасонных элементов в каналах могут в целом давать эффект в пределах 20% - 60%, а на входных участках - в пределах 30% - 90%.

Тройники на слияние. Далее будет рассматриваться часто используемая конфигурация равностороннего несимметричного тройника . Сопротивление подобных тройников существенно зависит от отношения расхода воздуха Об, протекающего по боковому ответвлению, к суммарному расходу воздуха Oc, протекающему после слияния потоков. В ряде отечественных и зарубежных работ [5, 6, 7] для таких тройников на основании законов сохранения массы, момента импульса и с использованием модели неупругого удара получены аналитические выражения для определения коэффициентов местного

сопротивления (КМС) на проход Çn и на боковое ответвление Çb. Все полученные аналитические выражения дают определенную погрешность в сравнении с данными, полученными экспериментально в Германии [8], США [9], [10], Японии [11] и Швейцарии [12]. В справочнике [1] приводятся закономерности для Çn и Çb, полученные на базе аналитических выражений, скорректированных с использованием указанных выше экспериментальных данных. Исследований по определению очертаний отрывных зон, возникающих при течении воздуха в тройнике, немного, и в основном они сосредоточены на определении профилей скорости и давления в потоке смешивающихся неизотермических жидкостей с точки зрения теплообмена. Так, например, в работе [13] методами лазерной

анемометрии исследованы характеристики смешения потоков с разной температурой и возникающие при этом вихревые структуры на границе смешивающихся жидкостей. С использованием того же метода в работе [14] проведено определение профилей скорости, найдена отрывная зона в несимметричном равностороннем тройнике на слияние при соотношении расходов GБ/GC =0,4, а также проведено сравнение ее очертаний с очертаниями, определенными методами вычислительной гидродинамики и показано довольно хорошее совпадение. Исследований по снижению сопротивления тройников также не много. Можно отметить работу [15], где снижения сопротивления добиваются путем установки перегородки, разделяющей основной и сливающийся с ним потоки. Путем исследования большого количества вариантов положения, наклона, формы и размеров разделяющей перегородки, определен оптимальный вариант, который приводит к снижению КМС от 4% до 62%, причем степень снижения зависит от отношения О-^Ос. В работах [16, 17] приведено подробное описание численного и лабораторного эксперимента по изучению влияния на сопротивление профилирующих вставок, устанавливаемых в узле, состоящем из последовательно расположенных отвода и тройника. Для изготовления профилирующих вставок выбраны плавные очертания обтекаемых тел из области самолето- и автомобилестроения. Выбраны оптимальные очертания профилирующих вставок, показано некоторое снижение

сопротивления узла, и отмечена его существенная зависимость от отношения О-^Ос. В работе [18] также указывается на использование в эксперименте профилирующих вставок и отмечен эффект снижения КМС, но не указаны очертания профилирующих вставок и условия проведения эксперимента.

Боковые вытяжные отверстия воздуховода. В среднем вытяжном отверстии течение можно считать аналогичным по сути течению в тройниках на слияние. Здесь также имеют место поток, проходящий мимо отверстия по магистральному направлению, и поток, вливающийся в него из отверстия. Аналогично происходят соударение и смешение потоков, но в этом случае втекание осуществляется из неограниченного пространства. В работе [19] проведено экспериментальное определение сопротивления при проходе потока мимо среднего вытяжного бокового отверстия. Показано хорошее совпадение с результатами эксперимента [20], в котором исследуется сопротивление тройников с разным соотношением размеров бокового ответвления и магистрального воздуховода. Отметим, что в справочнике [1] указано отсутствие у таких тройников зависимости сопротивления на проход от размеров присоединяемого бокового ответвления.

При втекании в концевое боковое вытяжное отверстие прослеживается определенная аналогия с

втеканием в торцевые отверстия, однако втекание происходит сложнее. Имеется несколько экспериментальных работ по определению сопротивления таких отверстий. В работе [21] проведен подробный эксперимент на круглой трубе и определены зависимости КМС бокового вытяжного концевого отверстия от его относительных размеров и расстояния от отверстия до заглушки (тупика).

Сведений по исследованиям отрывных зон, возникающих при входе потока в боковые средние и концевые вытяжные отверстия, в доступных ознакомлению источниках не найдено.

Торцевые вытяжные отверстия - раструбы-зонты. Исследованиями подтекания воздуха к таким устройствам занимаются достаточно давно. Имеется большое количество публикаций по определению полей скоростей при подтекании к ним [22 - 28], для чего используются аналитические способы расчета — методы конформных отображений (МКО), дискретных вихрей (МДВ) и др., экспериментальные способы [29, 30], и в последние десятилетия — численные исследования [31, 32]. Список исследований течения к стокам приведенными работами не исчерпывается, но их можно рассматривать как базисные при выборе источника информации для валидации численного решения для указанной конфигурации. Работ по исследованию с учетом возникновения отрывных зон несколько меньше. Здесь можно отметить работы, где в отрывной постановке задача решалась аналитически на основании методов МКО [33] и МДВ [34] , и с использованием численных методов [35]. В последней работе исследовалось подтекание к реальному вытяжному шкафу и были рассчитаны формы отрывных зон при срыве потока со створки дверцы. Было проведено усовершенствование входной кромки, приводящее к уменьшению вихревой зоны, и как следствие — к устранению возможности вырывания загрязнений из шкафа. При этом отмечается и некоторое снижение сопротивления вытяжного шкафа.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Методом вычислительной гидродинамики с использованием программного комплекса Fluent (пакет ANSYS® Academic Research Mechanical and CFD, Release 18.2) проводится исследование течения в следующих фасонных элементах систем вентиляции: в тройнике, в боковых вытяжных отверстиях и вытяжных отсосах-раструбах. Задача решается в двумерной турбулентной постановке. Для замыкания уравнений движения, осредненных по Рейнольдсу, используются модели турбулентности, выбранные в результате валидации с подробным сопоставлением результатов численных решений исследованных фасонных элементов с известными данными по сопротивлению, и, по возможности, с очертаниями вихревых зон. В соответствии с результатами

многих исследований авторов, наиболее корректное решение для течений в тройнике и каналах с последним и средним боковым отверстием дает сочетание модели турбулентности k-e «стандартная» со стандартными пристеночными функциями или с расширенным пристеночным моделированием [36, 37], а для задачи с отсосом-раструбом — сочетание модели рейнольдсовых напряжений с расширенным пристеночным моделированием [38].

В качестве граничных условий (ГУ) для стенок каналов ставится условие непроницания и непроскальзывания «wall», для вытяжных границ — ГУ с равномерным распределением скорости «velocity inlet», значение которой устанавливается таким образом, чтобы течение было развитым турбулентным (Re >>10000), для свободных проницаемых или удаленных границ ставится ГУ — «pressure inlet» с избыточным давлением, равным нулю.

Решение каждой задачи исследовалось на «сеточную зависимость», что заключалось в пошаговом измельчении (адаптации) расчетной сетки с проведением решения на каждом этапе адаптации. При этом на каждом этапе определялось искомое значение КМС и строился график его изменения в зависимости от величины y* (или y+, в зависимости от используемого пристеночного моделирования), которая характеризует степень разрешенности расчетной сеткой пограничного слоя. Решение считалось не зависящим от размера расчетной сетки (окончательным), если на двух последовательных адаптациях значение КМС отличалось на величину от 1 до 5% в зависимости от задачи. Далее с использованием такого окончательного варианта сетки определялись очертания вихревых зон. За очертание вихревой зоны принималась свободная линия тока — крайняя линия тока, огибающая вихревую зону. Нужно отметить, что для задач со смешением потоков окончательный вариант сетки далее использовался для получения результатов во всем диапазоне изменения отношения Ge/Gc. При этом на входных свободных границах устанавливалось разное сочетание давлений, отличных от нуля.

Очертания вихревых зон для боковых среднего и последнего отверстий, кроме численного способа, определялись также на экспериментальной установке, где для визуализации вихревой зоны использовался пар глицерина, который генерировался при помощи устройства для туманообразования, состоящего из нагретой вольфрамовой спирали с диаметром витков около 5мм, и установленного внутри них ватного валика, смачиваемого глицерином. Такой способ позволяет получить достаточно компактный след пара, визуализирующий начальную часть очертания вихревой зоны. Схема установки и методика эксперимента подробно описаны в [39].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ АНАЛИЗ

В результате численных и экспериментальных исследований определены очертания ВЗ в зависимости от геометрических параметров (размеров отверстий, углов наклона полки зонта-раструба) для фасонных элементов без слияния потоков, и в зависимости от соотношения расходов

GБ/GC для элементов со слиянием потоков (см. таблицу).

Для сравнения на рис. 1 и 2 приведены очертания ВЗ в круглом зонте-раструбе и в вытяжном тройнике. Подробнее с результатами исследования авторов по данным фасонным элементам можно ознакомиться в работах [36, 40, 41].

Рис. 1. Очертания ВЗ для круглого зонта-раструба [40]: а) схема течения; б) очертания первой ВЗ; б) очертания

второй ВЗ

Fig. 1. The contours of the vortex zones for a round exhaust hood [40]: a) flow pattern; b) the outline of the first vortex

zone; b) the outline of the second vortex zone

Рис. 2. Очертания ВЗ для тройника [36]: а) схема течения; б) очертания вихревой зоны Fig. 2. The contours of the vortex zones for the tee [36]: a) flow pattern; b) the outlines of the vortex zone

Очертания ВЗ для среднего и последнего отверстия приведены на рисунках 3 и 4, там же показаны результаты их экспериментального определения. Сравнение результатов численного и экспериментального определения ВЗ показало

хорошее совпадение для среднего отверстия и удовлетворительное для последнего, что позволяет считать результаты проведенного компьютерного моделирования фасонных элементов

воздуховодных сетей адекватными.

Рис. 3. Очертания вихревых зон для среднего бокового отверстия: а) полученные численно для Go/Gc= 0,2 ^0,9; б)

сравнение с экспериментом

Fig. 3. Outline of vortex zones for the middle side orifice: a) numerically for Go/Gc= 0,2 ^0,9; b) comparison with experiment

Результаты проведенных исследований позволили выявить ряд обобщенных характеристик очертаний вихревых зон потоков в фасонных элементах различной конфигурации. В работе [40] было показано, что очертания ВЗ, возникающие в отсосе-раструбе, подобны между собой и зависят от геометрии. Подобие очертаний ВЗ выражается в том, что можно использовать одно из очертаний в качестве «базового» («универсального»), а все остальные получить путем масштабирования с использованием коэффициента, величина которого может быть найдена в зависимости от геометрии данного фасонного элемента - длины полки раструба и его наклона. Таким образом, очертание ВЗ для любой геометрии можно получить путем умножения координат некоторого «базового» («универсального») профиля на масштабный

коэффициент кВЗ, зависящий от геометрических параметров элемента. При исследовании течения в среднем отверстии получены данные для одного размера отверстия при разных соотношениях расходов, и в этом случае очертания ВЗ не подобны. В случае течения в боковом последнем отверстии подобие очертаний ВЗ наблюдается для всех размеров отверстий, за исключением лишь самого маленького из исследованных - h/H = 0,2. На рис. 4 показаны очертания ВЗ, найденные из численных исследований течения (пунктирная линия) и полученные путем умножения координат очертания «базового» профиля (при h/H = 1,875) на масштабный коэффициент кВЗ (сплошная линия), зависимость которого от h/H описывается формулой:

кю = 1,3695-h/H 0468 (1)

а)

формуле (1); б) сравнение с экспериментом для h/H = 1,875 Fig. 4. The outlines of vortex zones for the last side orifice: a) numerically, the comparison by CFD and formula (1); b)

comparison with experiment for h/H = 1.875

Видно достаточно хорошее соответствие очертаний ВЗ, полученных численно и посредством масштабирования. Это позволяет использовать зависимость (1) для практических расчетов очертаний ВЗ при профилировании последних боковых отверстий любого размера в диапазоне 0,2< h/H < 2.

Профилирование фасонных элементов по очертаниям вихревых зон приводит к снижению КМС. Путем численного моделирования исследовано течение в отсосе-раструбе [38, 40] и зафиксировано образование двух вихревых зон, первой - при срыве потока с входной кромки полки раструба и второй - при срыве потока с острой кромки в месте присоединения полки раструба к воздуховоду (рис. 1). Отмечается, что снижение сопротивления при профилировании по обеим вихревым зонам существенно зависит от угла наклона полки раструба, но практически не зависит от его длины; там же приведена графическая зависимость для определения КМС профилированного отсоса. Зависимость эффекта от профилирования объясняется изменением размеров и формы ВЗ при изменении геометрии раструба -для отсосов с большим углом раскрытия от 90° до 60° на снижение КМС влияет только вторая вихревая зона, которая в этом интервале углов изменяется мало. При уменьшении угла раскрытия от 60°до 30° вторая вихревая зона уменьшается и практически исчезает, поэтому эффект от профилирования также снижается. Но начиная с угла раскрытия 15° и до 0° первая вихревая зона сливается со второй и уже имеет существенные размеры, вследствие чего эффект от

профилирования вновь увеличивается до значений несколько более высоких, чем для раструба в 90°.

Для вытяжного бокового последнего отверстия было проведено моделирование геометрии с профилированием входной острой кромки на основе ранее найденных очертаний (рис. 4а), при этом для отверстия с относительным размером h/H = 0,2 был взят профиль, полученный с использованием масштабного коэффициента. Результаты определения КМС приведены на рис. 5, на котором для сравнения также нанесены линия изменения КМС для непрофилированного элемента, найденная численно, и данные [21] для отверстия в боковой стенке круглого воздуховода. Видно некоторое расхождение для h/H > 1, причем по данным [21] в этом диапазоне происходит качественное изменение течения, когда внутри круглой трубы возникают два симметричных вихря, обтекающих поток воздуха, входящий в трубу, что приводит к повышенному сопротивлению входа. При дальнейшем увеличении отверстия эти два вихря исчезают, и втекание становится более плавным. Для рассматриваемого при численном моделировании двухмерного случая такой особенности не наблюдается и КМС возрастает плавно, но порядок значений, а также общая тенденция хорошо согласуется с экспериментом [21]. Кроме этого, на рис. 5 показаны результаты эксперимента, проведенного нами для отверстия размером h/H = 1,875 с непрофилированным вариантом конструкции и с установкой профилирующей вставки. Расхождение значений находится в пределах экспериментальных погрешностей и не превышает 22%. Сплошными линиями для непрофилированной (2) и

профилированной конструкций (3) отверстий показаны результаты аппроксимации зависимостей для КМС по следующим уравнениям:

Снепроф = 0,9179 Й/Я2 - 0,0184Й/Я + 2,0342 ;

(2)

С^оф= 0,5687-й/Я2 + 0,1938-й/Я + 1,3745 .

(3)

Также на рис. 5 нанесена линия изменения эффективности профилирования Д^проф =

100%-(Снепроф - ^проф)/ ^непроф.

Видно, что максимальный эффект (~30%) от профилирования наблюдается для маленьких отверстий и имеющих самые большие вихревые зоны. С увеличением отверстия эффект несколько снижается, хотя и имеет несколько необъяснимый подъем для самого большого из исследованных отверстий Н/И=1,875.

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 h/H Рис.5. Изменение численных и экспериментальных значений КМС по данным авторов для стандартного непрофилированного отверстия и для профилированной конструкции и данные для непрофилированного отверстия

[21];)Д^проф - эффективность профилирования.

Fig.5. Change in the numerical and experimental values of local drag coefficient according to the authors for a standard non-profiled orifices and for a profiled design and data for an non-profiled orifice according to [21]; Д^рк^ - profiling efficiency.

Результаты исследований позволили установить особенность течений в тройниках, которая заключается необходимости выбора оптимального очертания для последующего профилирования вследствие существенной зависимости очертаний ВЗ от соотношения расходов Gb/Gc. В работе [36] авторами было проведено исследование 5 профилей, соответствующих отношениям расходов Gb/Gc 0,236; 0,394; 0,511; 0,711; 0,86. Из них был выбран оптимальный профиль, полученный при Gb/Gc = 0,511, который показал минимальное сопротивление на всем диапазоне изменения Gb/Gc для КМС как на проход, так и на боковом ответвлении. Считая, что течение в среднем вытяжном отверстии имеет свойства, аналогичные течению в тройнике, и оптимальным является профиль по очертаниям, найденным по соотношению, близкому к 0,5 была смоделирована конструкция отверстия, спрофилированная по очертаниям ВЗ при соотношении, наиболее близком к 0,5, а именно при Go/Gc ~ 0,469. В результате получено существенное (от 30% до 70%) снижение КМС на всем диапазоне Go/Gc. При экспериментальной проверке численных результатов также получено снижение КМС, причем даже несколько большее, чем в численной модели, что можно объяснить погрешностями измерения при проведении эксперимента. Результаты расчета и экспериментального исследования представлены на рис. 6, там же показаны и данные [1, 19, 20, 42] для

непрофилированного отверстия. Можно видеть, что экспериментальные и численные результаты очень хорошо согласуются между собой: расхождение в основном не превышает 12%, за исключением соотношения Go/Gc=0,92, при котором расхождение составило 30%. Для непрофилированного отверстия можно видеть хорошее согласование с данными [42] для Zo, и с данными [19, 20] для Zn, хотя при этом значения Zn не согласуются с данными [42] ни количественно, ни качественно. Также на рисунке для сравнения нанесены линии зависимостей Zn и ZB вытяжного тройника по данным [1]. Видно, что характер изменения зависимости КМС от соотношения Go/Gc в тройнике и среднем отверстии одинаковый, но значения КМС существенно различаются. Это может объясняться разными условиями входа потока в магистральный канал. Вместе с тем нужно отметить, что экспериментальные значения Zn для тройника из работы [20] хорошо совпадают с соответствующими результатами для среднего отверстия. Для профилированного отверстия результаты численного расчета и эксперимента по Zo совпадают очень хорошо, а по Zn - несколько хуже: экспериментальные значения в диапазоне Go/Gc > 0,4 становятся отрицательными, хотя в численной модели этого не наблюдается. Это объясняется, тем, что значения КМС в этом случае близки к нулю и при экспериментальной проверке соизмеримы с погрешностями измерений.

Рис. 6. Зависимости ^и и Zo от Go/Gc, найденные численно и экспериментально для стандартной и профилированной конструкции среднего бокового отверстия; данные [1, 19, 20, 42]

Fig. 6. The dependence of Zs and Zo on Go/Gs, found numerically and experimentally for the standard and profiled design of the

middle side orifice; data [1, 19, 20, 42]

Изменение КМС в диапазоне 0,2 < Go/Gc < 0,9 хорошо описывается для непрофилированного отверстия выражениями

Сп = -0,9128Со/Сс2 + 2,1585-ео/Сс - 0,0481

; (4)

С0 = 21,59 00/0с2 + 0,9244С0/Сс - 0,6842 , (5)

а для профилированного отверстия - выражениями Сп = 0,2366 ;

(6)

С0= 21,09Ш0/ес 2 - з,09б5-е0/ес + 0,0172 . (7)

Результаты расчетов по выражениям (4) и (5) показаны на рис. 6 линиями с обозначением <<СРБ», а по выражениям (6) и (7) - линиями с обозначением «СРБ проф». Процент снижения для ^о на всем диапазоне примерно одинаков и составляет 27%, а для ^п увеличивается от 31 до 79% при увеличении ОО/ОС от 0,2 до 0,9.

ВЫВОДЫ

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Проведенными численными и натурными исследованиями установлено, что профилирование фасонных деталей по очертаниям вихревых зон, образующихся при срыве потока с острых кромок,

позволяет существенно, до 70%, снижать их КМС и, соответственно, энергозатраты воздуховодных сетей в целом. Профилирование в отличие от способа скругления острых кромок не увеличивает требуемых габаритов воздуховодов, и значительно проще технически, чем остальные способы снижения КМС фасонных деталей. Очертания вихревых зон определяются на основе численного эксперимента с использованием методов вычислительной гидродинамики, или в натурных испытаниях. Работами авторов выявлено, что для ряда фасонных деталей имеет место геометрическое подобие очертаний, что позволяет с достаточной точностью масштабировать результаты и радикально сократить объем экспериментов. Определены зависимости для нахождения масштабных коэффициентов, по которым несложно рассчитать очертания вихревых зон в требуемых диапазонах изменения типоразмеров фасонных деталей при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха. Построены графические зависимости для определения КМС энергоэффективных фасонных деталей. Дальнейшие исследования могут быть направлены на изучение процессов возникновения и устранения вторичных вихревых зон, иногда образующихся в профилированных конструкциях фасонных элементов.

Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 18-7910025).

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям / Под ред. М. О. Штейнберга. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. 672 с.

2. Зиганшин А.М., Алещенко И.С., Зиганшин М.Г. и др. Соединительный фасонный элемент с профилирующими вставками: пат. 2604264 Российская Федерация. 2016. Бюл. № 34.

3. Duct fitting database. Режим доступа: https://www. ashrae. org/technical-resources/bookstore/duct-fitting-database (дата обращения 30.07.2019).

4. ПО REVIT для проектирования инженерных систем. Режим доступа: https://www.autodesk.ru/products/revit/mep (дата обращения 30.07.2019).

5. Левин С.Р. Сопротивление тройников вытяжных воздуховодов // Отопление и вентиляция. 1940. № 10 - 11. С. 5 - 10.

6. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. Учебное пособие для вузов. М.: Стройиздат, 1979. 295с.

7. Bassett M.D., Winterbone D.E., Pearson R.J. Calculation of steady flow pressure loss coefficients for pipe junctions // Proc. Inst. Mech. Eng. Part C J. Mech. Eng. Sci. 2001. Vol. 215, № 8. PP. 861-881.

8. Kinne E. Beiträge zur Kenntnis der hydraulischen Verluste in Abzweigstücken // Hyd. Inst., Tech. Hochschule München. 1931. № 4. PP. 70-93.

9. McNown J.S. Mechanics of Manifold Flow // Trans. Am. Soc. Civ. Eng. 1954. Vol. 119. PP. 11031142.

10. Sangster W.M. et al. Pressure changes at storm drain junctions // Eng. Exp. Station. Univ. Missouri. 1958. Vol. 41, № 41. P. 55.

11. Naramoto I., Kasai T. On the loss of energy at impact of two confined streams of water // Kyushu Imperial University College of Engineering Memoirs 1931. Vol. 6, № 3. PP. 189-261.

12. Gardel A. Les pertes de charge dans les écoulements au travers de branchements en té // Bull. Tech. la Suisse Rom. 1957. Vol. 83. PP. 143-148.

13. Hirota M. et al. Experimental study on turbulent mixing process in cross-flow type T-junction // Int. J. Heat Fluid Flow. Elsevier Inc., 2010. Vol. 31, № 5. PP. 776-784.

14. Stigler J. et al. The Fluid Flow in the T-Junction. The Comparison of the Numerical Modeling and PIV Measurement // Procedia Eng. 2012. Vol. 39. PP. 1927.

15. Gao R. et al. Study of the shape optimization of a tee guide vane in a ventilation and air-conditioning duct // Build. Environ. Elsevier Ltd, 2018. Vol. 132. PP. 345-356.

16. Li A. et al. Study on local drag reduction effects of wedge-shaped components in elbow and T-junction close-coupled pipes // Build. Simul. 2014. Vol. 7, № 2. PP. 175-184.

17. Li A., Chen X., Chen L. Numerical investigations on effects of seven drag reduction

components in elbow and T-junction close-coupled pipes // Build. Serv. Eng. Res. Technol. 2015. Vol. 36, № 3. PP. 295-310.

18. Кононов А.В. Аэродинамическое усовершенствование элементов сети воздуховодов // Информационный бюллетень «Теплоэнергоэффективные технологии». 2001. № 3. C. 56-57.

19. Saito Y., Ikohagi T. Dividing and Combining Flows through Orifice Set on Side Wall of Square Duct. // Trans. Japan Soc. Mech. Eng. Ser. B. 1994. Vol. 60, № 574. PP. 1959-1964.

20. Maeda T., Isiguro I., Nakamura Y. Loss of Pressure due to Confluent Flow-Fitting(Scientific Basis of Planning Building) // Trans. Archit. Inst. Japan. 1960. Vol. 66.2, № c. PP. 149-152.

21. Ханжонков В.И., Давыденко Н.И. Сопротивление боковых отверстий концевого участка трубопровода // Промышленная аэродинамика. 1959. № 15. С.38-46.

22. R. Braconnier, Bibliographic Review of Velocity Fields in the Vicinity of Local Exhaust Hood Openings, Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 49 (1988). PP. 185-198. D0I:10.1080/15298668891379585.

23. F. Cascetta, L. Bellia, Velocity fields in proximity of local exhaust hood openings: an intercomparison between current recommended formulas and experimental studies, Build. Environ. 31 (1996). PP. 451-459. DOI:10.1016/0360-1323(96)00010-8.

24. DallaValle J. Exhaust hoods. How to design for efficient removal of dust, fumes, vapors and gases, with data, formulas and practical examples showing exact

procedure. New York: Heating and ventilating, 1944. 49 p.

25. Fletcher B. Effect of flanges on the velocity in front of exhaust ventilation hoods // Ann. Occup. Hyg. 1978. Vol. 21, № 3. PP. 265-269.

26. Прузнер А.С. Структура воздушного потока в зоне действия всасывающих отверстий // Отопление и вентиляция. 1939. №10. С. 13-21.

27. Бромлей М.Ф. Структура потока в зоне действия всасывающих отверстий // Отопление и вентиляция. 1934. №3. С. 2-8.

28. Посохин В.Н. Аэродинамика вентиляции. М. : АВОК-ПРЕСС, 2008. 214с.

29. B. Fletcher, Centreline velocity characteristics of rectangular unflanged hoods and slots under suction, Ann. Occup. Hyg. 20 (1977). PP. 141-146. D0I:10.1093/annhyg/20.2.141.

30. F. Cascetta, Experimental evaluation of the velocity fields for local exhaust hoods with circular and rectangular openings, Build. Environ. 31 (5) (1996). PP. 437-449, DOI: 10.1016/0360-1323(96)00011-X.

31. I. Kulmala, Numerical calculation of air flow fields generated by exhaust openings, Ann. Occup. Hyg. 37 (1993). PP. 451-468. DOI:10.1093/annhyg/37.5.451.

32. J. Chen, Research on the axial velocity change rule of desktop slot exhaust hood, Ind. Health. 56 (2018). PP. 278-284. DOI:10.2486/indhealth.2017-0211.

33. Посохин В.Н., Салимов Н.Б., Сафиуллин Р.Г. О форме отрывных зон на входе в раструб // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2003. № 3-4. C. 39-47.

34. Логачев К.И., Пузанок А.И., Посохин В.Н. Расчет течений на входе в отсосы - раструбы методом дискретных вихрей // Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2004. № 7-8. C. 61-69.

35. Pietrowicz S., Kolasinski P., Pomorski M. Experimental and numerical flow analysis and design optimization of a fume hood using the CFD method // Chem. Eng. Res. Des. 2018. Vol. 132. PP. 627-643.

36. Зиганшин А.М., Бадыкова Л.Н. Численное моделирование течения в профилированном вентиляционном тройнике на слияние // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2017. № 6. C. 41-48.

37. Зиганшин А.М., Батрова К.Э., Гимадиева Г.А. Численное определение характеристик течения через последнее боковое отверстие в воздуховоде // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2018. №7. С. 53-65.

38. Logachev K.I. et al. A survey of separated airflow patterns at inlet of circular exhaust hoods // Energy Build. 2018. Vol. 173. PP. 58-70. DOI: 10.1016/j.enbuild.2018.05.036.

39. Бадыкова Л.Н., Беляева Е.Э., Гимадиева Г.А. Испытание установки для исследования энергоэффективных вентиляционных фасонных деталей // Жилищное хозяйство и коммунальная инфраструктура. 2017. № 4. С. 25-34.

40. Logachev K.I., Ziganshin A.M., Averkova O.A. On the resistance of a round exhaust hood, shaped by outlines of the vortex zones occurring at its inlet // Build. Environ. 2019. Vol. 151. PP. 338-347. DOI: 10.1016/j.buildenv.2019.01.039

41. Ziganshin A.M. et al. Numerical modelling of energy efficient exhaust orifices and hoods in ventilation and air conditioning systems in buildings and facilities of thermal power plants // IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci. 2019. Vol. 288. PP. 012134. DOI: 10.1088/1755-1315/288/1/012133

42. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч. 3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн. 2 / Б.В. Баркалов, Н.Н. Павлов, С.С. Амирджанов и др.; Под ред. Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера. 4-е изд., перераб. и доп. М. : Стройиздат, 1992. 416 с.

REFERENCES

1. Idel'chik I. E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniyam [Handbook of hydraulic resistance] Ed. M.O. Shtejnberg. 3rd revised and enlarged ed. Мoscow, Mashinostroenie, 1992. 672 p. (in Russian).

2. Patent RF 2604264. Soedinitel'nyy fasonnyy element s profiliruyushchimi vstavkami [Shaped connecting element with profiling inserts] A.M. Ziganshin, I.S. Aleshchenko, M.G. Ziganshin et. al. Published 10.12.16; Bull. No. 34. (in Russian).

3. Duct fitting database. Access mode:

https://www.ashrae.org/technical-resources/bookstore/duct-fitting-database (date of access 30.07.2019).

4. REVIT software for engineering systems design. Access mode: https://www.autodesk.ru/products/revit/mep (date of access 30.07.2019).

5. Levin S.R. Resistance of exhaust air duct tees. Otoplenie i ventiljacija. 1940. № 10 - 11. pp. 5 - 10. (in Russian).

6. Taliev V.N. Ajerodinamika ventiljacii. Uchebnoe posobie dlja vuzov. [Aerodynamics of ventilation. Textbook for universities.]. M.: Strojizdat, 1979. 295p. (in Russian).