Материал: Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура

где p — давление, Па; — динамическая вязкость, кг/м с; t — турбулентная динамическая вязкость кг/м с; g — ускорение свободного падения, м/с2; k — кинетическая энергия турбулентности, м2/с2; j = 1, 2, 3; ij — символ Кронекера.

Перенос кинетической энергии турбулентности в стандартной k-ε-модели определяется следующими уравнениями:

где — скорость диссипации энергии турбулентности, м2/с3; С — константы модели турбулентности; t — турбулентная динамическая вязкость, кг/м с; k и — турбулентные числа Прантля для k и .

Скорость образования турбулентности:

31

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Константы А0 и Аs определяются как

Для констант k-ε-модели турбулентности принимались следующие значения [2, 4, 9, 11, 12, 14]:

C1 1, 44; C3 1, 40; C2 1,9; k 1, 0; 1, 2.

Граничные условия на твердых границах определяются условиями прилипания и условиями проскальзывания воздуха, задаваемыми для вектора скорости на твердых границах. Граничные условия на свободной границе определяются значениями давления, значениями скорости воздуха по нормали к границе или под углом к нормали и условиями вытекания воздуха с нулевым градиентом давления.

В качестве среды разработки программ, реализующих математические модели процессов вентиляции, использован пакет MatLab в сочетании с языком программирования C++.

При помощи разработанной программы изучалось распределение двухмерных стационарных воздушных потоков в поперечном сечении цеха с местными отсосами с целью определения влияния способа подачи приточного воздуха на циркуляцию воздушных потоков.

2. Расчеты по математической модели. В качестве объекта исследования рассмотрено двухмерное сечение цеха с промышленными ваннами наружных размеров: ширина — 1100 мм и высота — 1000 мм. Ванны, оборудованные двухсторонним бортовым отсосом, размещались в четыре ряда в поперечном сечении цеха. Помещение цеха имеет ширину 36,0 м и высоту 12,0 м. Расчетная кратность воздухообмена составляла 16 ч-1. Температура ограждающих конструкций помещения и приточного воздуха принята равной 18 С. Воздух подавался в проходы между ваннами воздухораспределителями.

Исследовалось три варианта подачи приточного воздуха на высоте 0,6h от пола:

плоскими струями с подачей воздуха вертикально вниз;

неполными веерными струями с использованием перфорированного воздуховода круглого сечения, углом раскрытия струи 45 и подачей воздуха вниз;

плоскими струями с подачей воздуха вертикально вниз по центру помещения и под углом 20 к вертикали по сторонам помещения.

Схемы моделирования подачи приточного воздуха приведены на рис. 1.

Рис. 1. Схемы моделирования подачи приточного воздуха:

1 — плоская струя; 2, 3 — плоская струя с подачей воздуха под углом 20 к вертикали; 4 — неполная веерная струя

Удаление загрязненного воздуха из помещения цеха осуществлялось бортовыми отсосами от ванн в объеме 90 % от общего количества приточного воздуха и 10 % из верхней зоны через отверстие в перекрытии цеха (рис. 2).

32

Рис. 2. Схема помещения.

Стрелками показаны места подачи и удаления воздуха

Результаты расчетов приведены на рис. 3—6.

Рис. 3. Векторное поле скоростей воздушных потоков при подаче воздуха плоскими струями вертикально вниз

Рис. 4. Скорость воздушных потоков. Диапазон изменения от 0 до 0,5555 м/с

33

Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура

Рис. 5. Скорость образования турбулентной кинетической энергии воздушных потоков. Диапазон изменения от 0 до 0,0164 м2/с2

Рис. 6. Линии тока воздушных потоков

Анализ полученных результатов, приведенных на рис. 3—6, позволяет сделать ряд выводов. Поток воздуха от воздухораспределителей движется вниз, взаимодействует с зонами циркуляции и ограждающими конструкциями, отражается от пола, разворачивается и, отдавая часть воздуха местным отсосам, поднимается вверх. Во всех вариантах по обе стороны от нисходящих приточных струй образуются зоны циркуляции. Размер зон циркуляции по горизонтали примерно равен половине расстояния между воздухораспределителями, а по вертикали — высоте установки воздухораспределителей.

Вдоль стен помещения во всех случаях наблюдается низкоскоростной восходящий воздушный поток, направленный к местам удаления воздуха в верхней зоне помещения.

Сравнение различных вариантов подачи приточного воздуха показало, что использования плоских и неполных веерных струй с углом раскрытия струи 45 и подачей воздуха вертикально вниз дают схожую картину распределения воздушных потоков и скорости движения воздуха как в объеме помещения, так и в рабочей зоне.

В реальном помещении струи приточного воздуха от воздухораспределителей находятся в условиях стеснения строительными конструкциями и технологическим оборудованием. Воздух вокруг струй находится не в состоянии «покоя», а движется навстречу, в результате чего профиль скоростей струи сильно деформируется. Скорость воздуха на оси струй зависит от типа воздухораспределителя на расстояниях до 4 м от воздухораспределителя. При больших расстояниях от воздухораспределителя скорость воздуха на оси струй слабо зависит от типа воздухораспределителя.

Наиболее эффективным оказался вариант с подачей приточного воздуха плоскими струями вертикально вниз по центру помещения и под углом 20 к вертикали по сторонам

34

помещения. Чистый воздух подается на рабочие места и только затем поступает в зону действия местных отсосов. Восходящие потоки находятся над ваннами и выносят вредные вещества из рабочей зоны в верхнюю зону помещения.

Выводы

1.Разработана математическая модель процесса распространения воздуха в помещении

сиспользованием уравнения неразрывности, системы осредненных по Рейнольдсу стацио-

нарных уравнений Навье-Стокса и уравнений k- -модели турбулентности.

2.Анализ результатов расчетов для различных вариантов подачи приточного воздуха показывает, что при взаимодействии приточного воздуха от воздухораспределителей со строительными конструкциями и местными отсосами происходит сильная деформация струй.

3.Использования плоских и неполных веерных струй с углом раскрытия струи 45 и подачей воздуха вертикально вниз дают схожую картину распределения воздушных потоков

ине позволяют создать эффективный воздухообмен, т. к. чистый воздух удаляется местными отсосами и не поступает в рабочую зону.

4.Наиболее эффективной является схема воздухообмена с подачей приточного воздуха

плоскими струями вертикально вниз по центру помещения и под углом 20 к вертикали по сторонам помещения. При этом чистый воздух поступает в рабочую зону и только затем удаляется местными отсосами. Восходящие потоки находятся над ваннами и выносят вредные вещества из рабочей зоны в верхнюю зону помещения.

5.Предложенный подход позволяет рассчитать и выбрать систему воздушных потоков

впомещениях, наиболее эффективно использующую приточный воздух, и повысить эффективность вентиляции без дополнительных затрат.

Библиографический список

1. Кузнецов, И. С. Алгоритмы поиска оптимальной трассы прокладки автомобильной дороги / И. С. Кузнецов, Г. А. Кузнецова, А. Г. Мкртчян // Инженерные системы и сооружения. — 2014. — № 2 (15). — С. 73—79.

2.Кузнецов, И. С. Интегрированные карты влияющих факторов для выбора оптимальной трассы автомобильной дороги / И. С. Кузнецов, Г. А. Кузнецова, А. Г. Мкртчян // Инженерные системы и сооружения. —

2014. — № 2 (15). — С. 67—72.

3.Кузнецов, С. Н. Моделирование распространения вредных веществ в сообщающихся помещениях / С. Н. Кузнецов, К. А. Скляров, А. В. Черемисин // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2008. — № 1. — С. 108—112.

4.Лобода, А. В. Использование метода конформных отображений для определения полей скоростей воздушных потоков в задачах вентиляции / А. В. Лобода, С. Н. Кузнецов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2011. — № 1 (21). — С. 15—22.

5.Мелькумов, В. Н. Взаимодействие вентиляционных воздушных потоков с конвективными потоками от источников теплоты / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов // Известия вузов. Строительство. — 2009. — № 1. — С. 63—70.

6.Мелькумов, В. Н. Динамика формирования воздушных потоков и полей температур в помещении / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. —

2008. — № 4. — С. 172—178.

7.Мелькумов, В. Н. Нестационарное поле концентраций природного газа в скважине при его утечке из подземного газопровода / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов, С. П. Павлюков, А. В. Черемисин // Приволжский научный журнал. — 2008. — № 4. — С. 98—103.

8.Мелькумов, В. Н. Нестационарные процессы формирования системами вентиляции воздушных потоков в помещениях / В. Н. Мелькумов, С. Н. Кузнецов, А. В. Черемисин, К. А. Скляров // Известия ОрелГТУ. Сер.: Строительство и транспорт. — 2007. — № 3—15. — С. 36—42.

9.Мелькумов, В. Н. Особенности тепломассообмена потока двухфазного теплоносителя на лопасти вихревого завихрителя / В. Н. Мелькумов, В. А. Лапин, А. Н. Кобелев // Научный вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура. — 2008. — № 3. — С. 119—124.

10.Мелькумов, В. Н. Оценка аккумулирующей способности вентилируемых объемов для снижения требуемого воздухообмена в помещениях / В. Н. Мелькумов, И. С. Кузнецов, Л. Ю. Гусева, А. В. Черемисин // Вестник Воронежского государственного технического университета. — 2007. — Т. 3, № 1. —

С. 205—207.

35