close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

код для вставкиСкачать
ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ И РАБОТ
МЕТОДАМИ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
С.И.Бурцев, Д.М.Денисихина, ЗАО «БЮРО ТЕХНИКИ»
Б.А.Кузнецов, ООО " ХОЛОДИЛЬНО-ИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР"
Введение
Современные спортивные сооружения с искусственным льдом – одни из наиболее
технически сложных, энергоемких и дорогих инженерных сооружений. Назначение систем
холодоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха (В и КВ) – поддержание
температуры ледовой плиты и поддержание необходимой температуры, влажности воздуха в
объеме чаши ледовой арены. При этом из основной проблемой при проектировании систем В и КВ
ледовых арен является необходимость поддержания существенно отличающихся значений
параметров воздуха в зоне ледового поля (определяемых требованиями к состоянию ледовой
поверхности) [1] и параметров в зоне нахождения зрителей.
Заполненные зрительские трибуны приводят к формированию свободно-конвективных
потоков теплого воздуха настолько мощных, что они начинают определять глобальную
циркуляцию воздуха во всем объеме чаши. Это создает угрозу попадания теплого влажного
воздуха в зону ледового поля, что является недопустимым (подтаивание льда, искривление его
поверхности, образование тумана над ледовым полем).
Таким образом, при проектировании систем воздухообмена и воздухораспределения
ледовых арен необходимо рассматривать взаимодействие потоков, создаваемых приточными
устройствами и конвективные потоки от массива зрителей. Учитывая очень сложный характер
течения, формирующего в объеме арены, определить зоны влияния этих потоков, спрогнозировать
их поведение становится невозможно. Кроме того, в задачах с искусственным льдом возникает
необходимость учета радиационной составляющей на значительной части поверхностей
участвующих в теплообмене (поверхность льда и кровли).
Работая с помещениями большого объема проектировщик сталкивается с тем, что
упрощенные инженерные методы перестают давать адекватные значения, а нормативные
требования к параметрам воздушной среды в объеме ледовых арен «соблюдаются» только в
расчетной части проекта, но, к сожалению, не при реальной эксплуатации объектов.
Указанные особенности приводят к необходимости использования методов
вычислительной гидродинамики [2], базирующихся на численном решении дифференциальных
уравнений сохранения, а именно трехмерных уравнений Навье-Стокса. Основанные на
фундаментальных законах механики сплошной среды, данные подходы позволяют получать
трехмерные поля температуры, скорости, влажности воздуха по всему объему арен. Именно
анализ таких полей позволяет понять сложную структуру взаимодействия потоков в объеме чаши,
скорректировать схему воздухораспределения таким образом, чтобы обеспечить требуемые
параметры воздушной среды.
Последние годы методы численного моделирования все больше используются в задачах
техники вентиляции и кондиционирования [3, 4, 5], в т.ч. и для анализа параметров воздушной
среды, формируемых системами В и КВ в объеме Ледовых Арен [6], [7], анализа различных схем
1
воздухораспределения [8], [9]. Результаты расчета хорошо соотносятся с физическим
экспериментом на натурных объектах [10].
В статье приведены примеры трех энергоемких спортивных сооружений, для которых
авторами был проведен анализ исходных проектных решений по системам В и КВ, получены поля
температуры, скорости, влажности, и на основе их анализа успешно скорректированы проектные
решения, приведшие к исполнению требований нормативных документов к параметрам
воздушной среды.
Метод исследования
Инструментом исследования в настоящей работе является гидродинамический
вычислительный комплекс STAR-CCM+, основанный на численном решении трехмерных
дифференциальных уравнений сохранения.
Уравнение сохранения массы

t

   ( V )  0
(1)
уравнение сохранение импульса

V
t


   (  V V )   p    ( τ  τ t )   g
(2)
тензор вязких напряжений  , определен с помощью реологического закона Ньютона

 T

2
τ  μ(  V  [  V ] )  μ   V I
3
(3)
а тензор турбулентных напряжений 
Буссинеска
 t  μ t ( V  [ V ] ) 
T
2
3
μ t  V I 
2
t
– в соответствии с обобщенной гипотезой
kI
3
(4)
уравнение сохранения энергии
ρE
t


 
   (V [ ρ E  p ])    (V  [   t ])    ( q  q t )
(5)
где ρ — плотность воздуха; V — скорость потока; Т — температура воздуха; λ —
теплопроводность воздуха; Сp — теплоемкость воздуха при постоянном давлении; t — время.
Для нахождения характеристик турбулентности необходимо использование той или иной
модели турбулентности, например k-ε:


μ
(ρ k )     ρ V k  (μ  t )  k   μ t ( P  PB )  ρε
t
σk



(6)
2


μt
ε
ε
ε
(ρε )     ρ V ε  (μ 
)  ε   C ε1 μ t P  C ε 3 μ t PB  C ε 2 ρ
t
σ
k
k
k



(7)
генерационный член в уравнениях переноса (6) и (7)

 T

P  μ(  V  [  V ] )   V ,
PB – дополнительный генерационный член, учитывающий влияние сил плавучести на
характеристики турбулентности
PB  
1 1
Sc t ρ
g ρ ,
где k — кинетическая энергия турбулентности; ε — скорость диссипации− кинетической
энергии турбулентности; µt – турбулентная вязкость; Сε1, Сε2, Сε3 — полуэмпирические
коэффициенты модели турбулентности.
Система уравнений (1)-(7) дополняется уравнениями радиационного теплообмена [7].
2
  ( I (r , s ) s )  (a  σ s ) I (r , s )  a
σT
π
4

σs
4π
4

0
I ( r , s )  ( s  s ) d  
,
(8)
где r – радиус-вектор, s – вектор направления излучения, s  – вектор рассеяния, a –
коэффициент поглощения, σs - коэффициент рассеяния, I – полная интенсивность излучения,
зависящая от радиус-вектора и направления излучения, Φ – фазовая функция, определяющая
8
диаграмму рассеяния, Ω′ – телесный угол, σ – постоянная Стефана -Больцмана 5 , 67  10
Вт
м К
2
4
.
Дифференциальные уравнения (1) - (8) являются нелинейными и не имеют общего
аналитического решения. Решения данной системы возможно с помощью методов численного
моделирования, заключающееся в замене непрерывных дифференциальных уравнений их
разностными аналогами для которых решение может быть получено в конечном числе точек
расчетной сетки. После чего составляется система алгебраических уравнений, решаемая
численными итерационными методами, например с помощью алгебраического многосеточного
алгоритма AMG.
Дворец зимнего спорта «Айсберг». г.Сочи . Моделирование работы систем отопления,
вентиляции и кондиционирования воздуха
Вместимость дворца зимнего спорта «Айсберг» (рис. 1) составляет 12 000 тыс. зрителей.
Для поддержания оптимальных тепловлажностных параметров воздуха в объеме Ледового
Дворца Спорта проектом предусмотрена подача воздуха:
 из сопел, расположены кольцом над ледовым полем на высоте 22 м;
 из вихревых диффузоров, расположенных кольцом по периметру зала над верхним ярусом
лож на высоте 27,8 м (первая линия);
 из линейных решеток, расположенных по периметру зала над балконами лож на высоте
12,2 м (вторая линия);
 Из щелевых решеток в строительных конструкциях под сиденьями зрителей,
расположенных по периметру зала (подача воздуха в подтрибунное пространство) на
высотах 0,65 – 3,80 м (третья линия);
Удаление воздуха осуществляется через решетки, расположенные кольцом над ледовым
полем на высоте 32 м с общим расходом L1 = 48 000 м3/ч и через решетки, расположенные по
периметру зала над зрительными рядами на высоте 25,4 м с общим расходом L2 = 450 000 м3/ч
Схема расположения воздухораспределительных устройств и другого оборудования
показана на рис.2.
рис.1. Внешний вид дворца зимнего спорта «Айсберг».
Рис. 2. Схема расположения оборудования
3
Результаты расчетов показали, что заложенная изначально в проекте подача воздуха с
температурой 18°С в зону ледового поля с помощью сопел создает избыточную подвижность у
ледовой поверхности, нарушая «холодную подушку» над ней (рис. 3) и препятствует
формированию требуемых параметров над поверхностью льда. В местах распространения струй
на отметке 1м над полем формируются «пятна» с повышенными (до 21°С) температурами (рис.5).
Поэтому следует формировать проектное решение, когда струи от сопел не будут достигать
отметки 1 м, т.е. не разрушать холодную "подушку", формирующуюся над полем естественным
образом.
Проблема в рассматриваемом случае возникла из-за того, что при подборе сопел,
проектировщики в качестве исходных параметров для программ подбора, как правило,
закладывают температуру на выходе из сопел и температуру в рабочей зоне, в данном случае
вблизи ледового поля. Однако в случае ледовых арен со зрителями это оказывается
принципиально неверным. Так, если температура приточного воздуха из сопел по проекту 18°С, а
температура на отметке 1 м над поверхностью льда 14 °С, то программа подбора (или по
закономерностям распространения струйных течений) рассматривает приточную струю как
«теплую», т. е. всплывающую по мере распространения в направлении ледового поля с
соответственным снижением ее дальнобойности. Однако при значительных тепловыделениях от
зрителей (около 1 МВт), что имеет место для больших объектов, в частности рассматриваемого
олимпийского, температура в верхней зоне под кровлей становится выше 25 °С. В этом случае
приточная струя от сопел (18°С) в начале распространяется в окружающем воздухе с
температурой выше 25 °С как «холодная», ускоряясь при этом по отношении к изотермичной
струе, и только потом по мере приближения к ледовой поверхности начинает себя вести как
«теплая» и всплывает. Таким образом, фактическая дальнобойность струи существенно
превышает ту величину, которую даст проектировщику программа подбора или расчетные
зависимости для струйный течений. Как следствие, на практике струя будет «ударяться» в лед,
привнося с собой теплый воздух и вызывая таяние льда. Именно эту ситуацию и удалось выявить
при математическом моделировании исходного проектного решения Дворца зимнего спорта
«Айсберг».
рис. 3. Поле температуры в центальном вертикальном
сечении. Исходный вариант
рис. 4. Поле температуры в центальном вертикальном
сечении. Откорректированный вариант
4
рис. 5. Поле температуры в горизонтальном
сечении на отметеке 1м. Исходный вариант
рис. 6. Поле температуры в горизонтальном
сечении на отметеке 1м. Откорректированный вариант
При корректировке проектного решения температура на притоке сопел была увеличена с
18°С до 23°С.
Результаты расчета показали, что в этом случае струи от сопел не достигают зоны ледового
поля и не разрушают естественную воздушную подушку над полем (рис. 4, рис. 6). Температура
на отметке 1 м снижается с 20°С до 15°С.
В ходе моделирования установлено, что температура воздуха на верхних рядах трибун
составляет 2224°С, на нижних – 1821°С. (рис. 4).
Моделирование процессов течения воздуха и основанная на нем корректировка проектного
решения позволили предотвратить при эксплуатации Ледового дворца подтаивание льда,
искривление его поверхности, образования тумана над ледовым полем. Или, другими словами,
сохранили функционал инженерных систем и инвестиционные затраты в них.
Ледовый дворец “АРЕНА ЛЕГЕНД”. ПАРК ЛЕГЕНД. г. Москва. Моделирование работы
систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха
Вместимость Ледового дворца «Арена Легенд» составляет 12 000 тыс. зрителей.
Для поддержания оптимальных тепловлажностных параметров воздуха в объеме Ледового
Дворца проектом предусмотрена подача воздуха:




из сопел, расположенных над ледовым полем и направленных на поле (h=22,7 м);
из диффузоров, расположенных двумя рядами внутри кольца сопел над ледовым полем
(h=22,7 м);
из диффузоров, расположенных по периметру зала над нижним ярусом зрителей (h=22,7 м);
из диффузоров, расположенных по периметру зала над верхним ярусом зрителей
(h=24,3 м);
Удаление воздуха осуществляется через вытяжные решетки, расположенные двумя рядами
над полем на высоте 27 м и через решетки, расположенных по периметру арены над зрительскими
рядами на высоте 25,7 м.
5
Схема расположения воздухораспределительных устройств и другого оборудования
показана на (рис. 7)
рис. 7. Схема расположения оборудования.
Результаты расчета показали (рис. 8 - рис. 11), что подача воздуха через приточные
устройства с заложенной проектным решением температурой 2022°С и влагосодержанием 4,6г/кг
(сопла и диффузоры над полем) и 8,9 г/кг (диффузоры над зрителями) приводит к недопустимо
высоким значениям температуры и влагосодержания по объему ледовой чаши. Особенно
существенно оказываются нарушены параметры вблизи поверхности льда (температура на
отметке 1,5 м достигает 21°С-23°С, влагосодержание 12,5 г/кг). Такое нарушение требований к
параметрам воздуха приведет к критическому изменению качества льда, что сделает его
непригодным для проведения соревнований и тренировки спортсменов (рис.10). Не всё
благополучно и в зоне трибун. Температура воздуха в местах размещения зрителей принимает
значения 2830С (рис.11).
Рис. 8. Поле температуры в вертикальных сечениях
6
Рис. 9. Поле модуля скорости в вертикальных сечениях
.
рис. 10. Поле температуры в горизонтальном
сечении на высоте 1,5м
рис. 11. Поле температуры на расстоянии 2-2,5 м от
трибун
В проект были внесены изменения по параметрам воздуха на притоке, однако возможность
их изменения оказалось ограниченной техническими возможностями уже заказанного
оборудования для систем В и КВ.
Методы математического моделирования должны вовлекаться в проектный процесс на
ранних стадиях проектирования, а не после приобретения основного оборудования.
ФУТБОЛЬНЫЙ СТАДИОН В ПЕТЕРБУРГЕ. Моделирование работы систем отопления,
вентиляции и кондиционирования воздуха
Вместимость футбольного стадиона составляет 68 000 тыс. зрителей. Стадион оснащен
подвижной кровлей, делающей его крытым в холодный период года.
Для поддержания оптимальных тепловлажностных параметров воздуха в объеме
футбольного стадиона проектом предусмотрена подача воздуха:

из решеток, расположенных по периметру поля на 200 мм выше уровня поля (1-ый
уровень);
 из диффузоров, расположенных по периметру зала на высоте 18,7 м (4-ый уровень);
 из диффузоров, расположенных по периметру зала двумя кольцами потолком (7-ой
уровень);
Воздухозабор из объема чаши стадиона осуществляется при помощи решеток,
расположенных на 1-ом, 4-ом и 7-ом уровнях.
7
Схема расположения воздухораспределительных устройств и другого оборудования
показана на рис.12.
рис. 12. Схема расположения оборудования.
Результаты расчета показали, что в объеме чаши стадиона образуется сложное
циркуляционное течение (рис. 13). При этом существенный вклад в общую картину течения
вносят как свободная конвекция (свободно-конвективные потоки, поднимающиеся от зрителей и
опускающиеся холодные потоки воздуха от кровли в центр объема), так и вынужденная (поток от
приточных воздухораспределителей).
рис. 13. Поле модуля скорости и вектора скорости в вертикальном сечении.
Скорость воздействия струй от приточных воздухораспределителей 4-ого уровня на
зрителей недопустимо высока и составляет около 0,7 м/с при температуре 14°С (рис. 14). Высокие
значения скоростей в зоне нахождения зрителей объясняется тем, что при формировании
проектного решения неправильно была оценена величина неизотермичности в районе выхода
приточного воздуха, которая по результатам математического моделирования оказалась очень
существенной и составила T=910°С. При этом расстояние по вертикали от притока до зрителей
– всего 1,5м. Вследствие такой неизотермичности, приточная струя достаточно быстро начинает
8
отклоняться от своего изначального горизонтального направления и преждевременно опускается
на зрителей, не успев замедлиться и эжектировать в себя теплый воздух чаши.
рис. 14. Линии тока из приточных устройств 4-го
уровня
рис. 15. Линии тока приточных, обслуживающих зону
поля.
Расчеты показали, что взаимное расположение приточных и вытяжных решеток,
обслуживающих зону поля (1-ый уровень) оказалось крайне неудачным. Существенная часть
свежего приточного воздуха после выхода из приточных решеток почти сразу попадает на вход
вытяжных решеток (рис. 15). Т.е. значительная часть подаваемого в зону поля приточного воздуха
покидает объем стадиона без ассимиляции вредностей.
Заключение
В настоящее время сложилась ситуация, когда проектирование систем вентиляции и
кондиционирования воздуха не должно опираться только на простые инженерные методики и
«опыт» человека. Особенно это относится к таким уникальным сооружениям как ледовые арены,
стадионы, театры, физкультурно-оздоровительные комплексы, атриумы.
Высокий уровень инвестзатрат требует доказательства эффективности инженерных систем,
т.е. инвестиции в инженерные системы эффективны, если системы исполняют требования
нормативных документов.
В работе показано, что именно для объектов с высоким уровнем инвестзатрат отказ от
использования современных методов моделирования микроклимата приводит к существенным
ошибкам в проектных решениях. Последствия таких ошибок – несоблюдение параметров воздуха
как в зоне зрителей, так и в случае ледовых сооружений в зоне ледового поля. Последнее
существенным образом отразится на качестве ледового покрытия, появления тумана над полем.
Таким образом, при эксплуатации объектов будут нарушены как комфортные и технологические
требования, то есть целевая функция систем В и КВ достигнута не будет, делая тем самым
инвестированные средства в системы бесполезными.
Пренебрежение современными методами приводит к тому, что требования российских
нормативных документов по параметрам воздушной среды соблюдаются только на бумаге у
проектировщика, но, к сожалению, не при реальной эксплуатации объектов.
Математическое моделирование должно стать обязательной составной частью проектного
процесса, как это уже имеет место в мировой практике.
ЛИТЕРАТУРА
9
1. ASHRAE Handbook. Refrigeration. Chapter 44. Ice Rinks. 2014. ASHRAE.
2. Nielsen, P.V., Allard, F., Awbi, H.B., Davidson, L. and Schälin, A. Computational fluid
dynamics in ventilation design. 2007. REHVA Guide Book 10. RHEVA.
3. Li, Y., Nielsen, P.V. CFD and Ventilation Research // Indoor Air. 2011. Vol. 21(6). P. 442453.
4. Gowreesunker, B.L., Tassou, S.A., Kolokotroni, M. Coupled TRNSYS-CFD simulations
evaluating the performance of PCM plate heat exchangers in an airport terminal building
displacement conditioning system // Building and Environment. 2013. Vol.65. P.132-145.
5. Gijón-Rivera, M., Xamán, J., Álvarez, G., Serrano-Arellano, J. Coupling CFD-BES
Simulation of a glazed office with different types of windows in Mexico City // Building and
Environment. 2013. Vol. 68. P. 22-34.
6. Bellache, O.; Galanis, N.; Ouzzane, M.; Sunyé, R.; Giguère, D. Two-Dimensional Transient
Model of Airflow and Heat Transfer in Ice Rinks // ASHRAE Transactions. 2006. Vol. 112
(2). P. 706-716.
7. Bellache, O., Ouzzane, M., Galanis, N. Numerical prediction of ventilation patterns and
thermal processes in ice rinks // Building and Environment. 2005. Vol. 40. P.417-426.
8. Demokritou, P., Chen, Q., Yang, C., and Spengler, J. The impact of ventilation on air quality
in indoor ice rink arenas // Proc. of Healthy Buildings. 2000. Vol. 2, P. 407-412. Espoo,
Finland.
9. Yang, C., Demokritou, P., Chen, Q., Spengler, J.D., Parsons, A. Ventilation and air quality in
indoor ice skating arenas // ASHRAE Transactions. 2000. Vol. 106(2). P. 338-346.
10. Yang, C., Demokritou, P., Chen, Q., Spengler, J. Experimental Validation of a Computational
Fluid Dynamics Model for IAQ applications in Ice Rink Arenas // Indoor Air. 2001. Vol. 11
(2). P. 120-126.
10
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа