с 01.09.2016 по 30.06.2018
Новокуйбышевск, Самарская область, Россия
В данной работе представлены результаты моделирования системы приточно-вытяжной вентиляции жилого помещения. Подача воздуха происходит из дверного проема, удаление воздуха производится через механическую вытяжку над плитой и через вентканал в верхней части кухни. Нагрев помещения происходит с помощью радиатора, и часть тепла подается от плиты. Цель работы заключается изучении эффективности работы данного вида приточно-вытяжной вентиляции в зависимости от загрязняющего вещества. Расчетной областью была выбрана кухня в 9-ти этажном доме. Задача решена в стационарной постановке без использования модели турбулентности. По итогам исследования получены концентрации загрязняющих газов в рабочей части помещения, по которым можно судить о вероятности проникновения запахов в жилые комнаты квартиры.
приточно-вытяжная вентиляция, численное моделирование, концентрация газа.
ВВЕДЕНИЕ
Системы приточно-вытяжной вентиляции постоянно используются в жилых и офисных зданиях. Подача и удаление воздуха может производиться как естественным, так и механическим способом.
В рассмотренном случае приток воздуха происходит из дверного проема кухонного помещения естественным способом с температурой воздуха соседних помещений. Удаление воздуха производится через вытяжное отверстие в вентиляционный канал без механического побуждения. Для улучшения удаления загрязняющих газов также происходит механическое удаление воздуха над плитой.
Целью данной работы было исследование эффективности приточно-вытяжной системы вентиляции для различных загрязняющих газов в замкнутом объеме кухни [1].
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Задача решалась в стационарной постановке, что позволило стабилизировать решение в зонах действия вихревых потоков и сократить вычислительную нагрузку. Для упрощения расчетной сетки был построен только объем самого помещения размером 3500 х 2100 х 2650 мм (рис. 1). Все элементы были заданы с помощью координат в программном комплексе Code Saturne [3,4]. Дверной проем имеет размеры 2000 х 1700 мм, окно – 1500 х 1400 мм, а радиатор 550 х 400 мм. Кухонный гарнитур задан как область с повышенным давлением для избежания проникновения газов в кухонный гарнитур. Загрязняющие газы подавались над плитой. Механическая вытяжка имеет габариты 600 х 550 х 170 мм. Вытяжное отверстие – 400 х 220 мм.
Рис. 1. Расчетная область
При моделировании использовалась неструктурированная расчетная сетка, состоящая из 155 820 кубических ячеек (рис. 2). Сетка построена экструзионным методом в программном комплексе Salome [2, 3]. Размер ячейки в расчетной сетке достигает 0.05 м. Дефекты расчетной сетки отсутствуют [5].
Рис. 2. Расчетная сетка
Моделирование турбулентности в данном расчете не производилось. В качестве начальных условий была принята температура моделируемого объема кухонного помещения (Т0 = 20 0С). Граничные условия для дверного проема были заданы для воспроизведения естественного притока воздуха из соседних помещений (U0 = 0.0 м/с по нормали, температура 23 0С). Механическая вытяжка имеет расход удаляемого воздуха, равный 0.0972 м3/с, естественная – 0,025 м3/с. Характеристики для поверхностей теплообмена были заданы фиксированными значениями температуры: для радиатора 95 0С, для плиты 700 0С, для окна 17.46 0С. Термодинамические свойства среды (воздух + газ) задавались переменными в зависимости от концентрации загрязняющего газа во времени. Для учета влияния естественной конвекции в помещении была задана зависимость плотности воздуха от температуры по закону идеального газа [6]. Ограждающие конструкции были заданы адиабатными.
Были заданы 4 различных газа, по свойствам идентичные существующим в природе, но отличающимся по свойствам от воздуха (табл. 1).
Таблица 1
Свойства газов [9]
|
№ п/п |
Наименование газа |
Плотность, ρ, кг/м3 |
Динамическая вязкость, μ,Па·с |
Теплоемкость, ср, Дж/кг·К |
Теплопроводность, λ, Вт/м·К |
|
1 |
Газ №1 |
1.808 |
14,6·10-6 |
845 |
0.016815 |
|
2 |
Газ №2 |
1.1265 |
18,01·10-6 |
1041 |
0.025468 |
|
3 |
Газ №3 |
0.16674 |
19,561·10-6 |
5193 |
0.14786 |
|
4 |
Газ №4 |
1.6617 |
22,3·10-6 |
522 |
0.017391 |
Учитывая удовлетворительное качество сетки, градиенты рассчитывались итерационным методом с учетом неортогональностей. Ввиду малой вероятности возникновения скачкообразных перепадов давления его корректировка путем комбинирования уравнений сохранения импульса и неразрывности не использовалась. Для стабилизации решения был активирован алгоритм учета градиентов и дивергенции при решении уравнения сохранения импульса. Использовалась релаксация решателя по давлению (R = 0.7). Стратификация давления не учитывалась, поскольку в расчетной области отсутствуют высокотемпературные источники тепла и высокоскоростные потоки среды. Псевдо-стационарная постановка задачи позволила использовать модифицированный полунеявный метод решения уравнений Навье-Стокса (SIMPLEC) [7, 8] с увеличением предельного числа Куранта (Crmax = 5). Для снижения вычислительной нагрузки были введены пороговые значения точности (10-6) и количества субитераций (10 000) при решении линейных уравнений.
Для стабилизации решения уравнения энергии был ограничен диапазон допустимых температур: -31...1000 0С.
Продолжительность численного эксперимента была определена на основании нескольких расчетов до формирования устойчивого течения и составила τ = 40 с. Временной шаг равен 0.01 с. для увеличения точности результатов. Общее количество итераций составило 4000 для расчета всех вариантов загрязняющих газов.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В соответствии с целью исследования было выполнено сравнение концентрации загрязняющих газов путем сопоставления полученных данных с концентрацией газа идентичному по свойствам воздуху.
Результаты моделирования (рис. 3) представлены в виде графика, на котором можно наблюдать концентрации загрязняющих газов в 4-х точках отбора. Точки, в которых были получены данные, имеют следующие координаты: точка №1: x=1.5, y=0.5, z=0.2; точка №2: x=0.5, y=0.5, z=0.2; точка №3: x=1.5, y=0.5, z=2; точка №4: x=0.5, y=0.5, z=2.
Рис. 3. Результаты численного моделирования
Представленные результаты (рис. 3) свидетельствуют о недостаточно эффективной работе приточно-вытяжной вентиляции. В то же время, можно проследить, что наиболее легкие газы удаляются намного хуже, чем тяжелые.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Полученные результаты свидетельствуют о том, что работа выбранной приточно-вытяжной системы вентиляции недостаточна для эффективного удаления загрязняющих газов характеристиками, отличными от воздуха. Данное исследование показало, что такой вид системы наиболее эффективно справляется с удалением более плотных газов. Для повышения эффективности удаления загрязняющих газов следует расход удаляемого воздуха, т.е. увеличение мощности механической вытяжки.
1. Тихомиров К.В. Теплотехника, теплогазоснабжение и вентиляция. М.: Рипол Классик, 2007. 231 с.
2. Программное обеспечение SALOME. URL: http://www.salome-platform.org (дата обращения 02.12.2017).
3. Цынаева Е.А., Цынаева А.А. Моделирование задач теплообмена и гидрогазодинамики с помощью свободного программного обеспечения // Вестник Ульяновского государственного технического университета, - 2014. -№ 4 (68). - С. 42-45.
4. Программное обеспечение Code Saturne. URL: http://code-saturne.org (дата обращения 02.12.2017).
5. Караваев А.С., Копысов С.П., Пономарёв А.Б. Алгоритмы построения и перестроения неструктурированных четырехугольных сеток в многосвязных областях // Вычислительная механика сплошных сред, - 2012. - № 2 (5). - С. 144-150.
6. Никитин М.Н., Кортяева Д.О. Численное исследование естественной конвекции в замкнутом объеме // Вестник СГАСУ. Градостроительство и архитектура, - 2016. - № 3 (24). - С. 146-150.
7. Iaccarino G. Predictions of a turbulent separated flow using commercial CFD codes // Journal of Fluids Engineering, 2001. № 4 (123). С. 819-828.
8. Ковальногов Н.Н. Прикладная механика жидкости и газа. Ульяновск: Изд-во УлГТУ, 2010. 219 с.
9. Справочник по свойствам веществ и материалов: плотность, теплопроводность, теплоемкость, вязкость и других физические свойства веществ в таблицах в зависимости от температуры и давления. URL: http://thermalinfo.ru/
10. Смирнов Е.М., Зайцев Д.К. Метод конечных объемов в приложении к задачам гидрогазодинамики и теплообмена в областях сложной геометрии // Научно-технические ведомости СПбГПУ, - 2004. - № 2. - С. 36-42.
