Численное моделирование воздушных режимов в помещениях

В вычислительной гидрогазодинамике наиболее популярны программы комплекса ANSYS, во многом за счет возможности точного моделирования воздушных режимов и наглядности процесса численного моделирования.

Исследование влияния воздушного потоков на микроклимат в помещении проводится на примере помещения больничной палаты.

На рисунке 1 и рисунке 2 показан план помещения с фрагментами инженерных систем вентиляции и системы отопления. На рисунке 3 фрагмент плана помещения с инженерными системами вентиляции при создании геометрии для численного моделирования в программе spaceclaim.

Система механической приточно-вытяжной вентиляции представлена воздуховодами с диаметром приточного патрубка марки ДПУ-М 200 и диаметром вытяжного патрубка ДПУ М 125.

Система отопления представлена стальным биметаллическим радиатором РС 1-500.

Рисунок 1. Фрагмент плана помещения с инженерными системами приточно-вытяжной вентиляции

Рисунок 2. Фрагмент плана помещения с инженерными системами  отопления

Рисунок 3. Фрагмент плана помещения с инженерными системами вентиляции при создании геометрии для численного моделирования в программе spaceclaim

По траекториям полей скоростей и линиям тока от входного и к выходному вентиляционным каналам, сделан вывод о соответствии или не соответствии требуемым параметрам микроклимата при работе естественной и механической вентиляции рабочих зон с точки зрения качества воздуха. Скорости достигают примерно 0,4-0,5 м/с в области опускного течения и в области подъемного течения от радиатора. В остальной области решения значения скоростей потоков стремятся к нулю. На основании полученных данных линии тока распределения воздушных потоков были перенесены на разрезы помещения для лучшей наглядности распределения полей скоростей в помещении. В результате моделирования распределения воздушных потоков с использованием программного комплекса ANSYS Fluent были проанализированы возможности наиболее распространённых моделей турбулентности воздушных режимов. Результат сравнения показал, что наиболее оптимальным вариантом является использование модели-Спаларта-Аллмареса.

Для оконного блока (для стекла) принята температура наружного воздуха и коэффициент эмиссии, для наружных стен принята температура окружающего воздуха, для радиатора принята температура на поверхности радиатора и коэффициент эмиссии. Для двери и выходного отверстия вытяжного патрубка назначены давления равные атмосферному. На приточном патрубке назначен массовый расход. Для всех остальных поверхностей стен граничные условия «стена».

В ходе численного моделирования работы инженерных систем естественной и приточно-вытяжной механической вентиляции при различных температурах окружающего воздуха, проводится исследование микроклимата помещения, а именно определяется распределение воздушных потоков в зависимости от температуры окружающего воздуха показаны на рисунке 4 при работе естественной вентиляции и на рисунке 5 приточно-вытяжной механической вентиляции. Результаты моделирования представлены в виде графиков зависимости скорости воздушного потока в помещении от температуры окружающего воздуха.

Рисунок 4. Распределение воздушных потоков в помещении. Вариант работы естественной вентиляции, при температуре окружающего воздуха: 0, -10, -20^o С

Рисунок 5. Распределение воздушных потоков в помещении. Вариант работы приточно-вытяжной механической вентиляции, при температуре окружающего воздуха: 0, -10, -20^o С

По результатам численного моделирования воздушных потоков представлены данные в таблице 1 и таблице 2.

Таблица 1.

Результаты численного моделирования при работе естественной вентиляции

Таблица 2.

Результаты численного моделирования при работе приточно-вытяжной механической вентиляции

Графики полей скоростей воздушного потока от температуры окружающего воздуха показаны на рисунке 6 при естественной вентиляции и на рисунке 7 при приточно-вытяжной механической вентиляции, произведено сравнение параметров микроклиматов, а именно скорости движения воздуха м/с в соответствии с ГОСТ 30494-2011. Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях.

Рисунок 6. График изменения скоростей при работе естественной вентиляции

Рисунок 7. График изменения скоростей при приточно-вытяжной вентиляции

При помощи пакета ANSYS была получена компьютерная модель распределения воздушных потоков в помещении. Это позволяет осуществить параметрическое проектирование систем вентиляции при задании определенных граничных условий таких как массовый расход воздуха и температура приточного воздуха. Данный метод численного моделирования может являться справочным материалом для проектировщиков систем вентиляции. При проектировании может быть использован для различных классов помещений и позволяет визуально оценить качество воздуха в той или иной точке пространства.