student from 01.09.2016 to 30.06.2018
Novokuybyshevsk, Samara, Russian Federation
In this paper, we present the results of modeling the system of supply and exhaust ventilation of a dwelling. The air is supplied from the doorway, the air is removed through a mechanical hood above the stove and through the ventilation duct in the upper part of the kitchen. Heating of the room occurs with the help of a radiator, and some heat is supplied from the plate. The aim of the work is to study the effectiveness of this type of supply and exhaust ventilation, depending on the pollutant. As the calculated area was chosen kitchen in a 9-story house. The problem is solved in a stationary formulation without using the turbulence model. Based on the results of the study, concentrations of polluting gases in the working part of the premises were obtained, according to which it is possible to judge the likelihood of smells penetrating into the living rooms of the apartment.
combined extract and input ventilation, numerical simulation, gas concentration.
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. Tihomirov K.V. Teplotehnika, teplogazosnabzhenie i ventilyaciya. M.: Ripol Klassik, 2007. 231 s.
2. Programmnoe obespechenie SALOME. URL: http://www.salome-platform.org (data obrascheniya 02.12.2017).
3. Cynaeva E.A., Cynaeva A.A. Modelirovanie zadach teploobmena i gidrogazodinamiki s pomosch'yu svobodnogo programmnogo obespecheniya // Vestnik Ul'yanovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta, – 2014. –№ 4 (68). – S. 42–45.
4. Programmnoe obespechenie Code Saturne. URL: http://code-saturne.org (data obrascheniya 02.12.2017).
5. Karavaev A.S., Kopysov S.P., Ponomarev A.B. Algoritmy postroeniya i perestroeniya nestrukturirovannyh chetyrehugol'nyh setok v mnogosvyaznyh oblastyah // Vychislitel'naya mehanika sploshnyh sred, – 2012. – № 2 (5). – S. 144–150.
6. Nikitin M.N., Kortyaeva D.O. Chislennoe issledovanie estestvennoy konvekcii v zamknutom ob'eme // Vestnik SGASU. Gradostroitel'stvo i arhitektura, – 2016. – № 3 (24). – S. 146–150.
7. Iaccarino G. Predictions of a turbulent separated flow using commercial CFD codes // Journal of Fluids Engineering, 2001. № 4 (123). S. 819-828.
8. Koval'nogov N.N. Prikladnaya mehanika zhidkosti i gaza. Ul'yanovsk: Izd-vo UlGTU, 2010. 219 s.
9. Spravochnik po svoystvam veschestv i materialov: plotnost', teploprovodnost', teploemkost', vyazkost' i drugih fizicheskie svoystva veschestv v tablicah v zavisimosti ot temperatury i davleniya. URL: http://thermalinfo.ru/
10. Smirnov E.M., Zaycev D.K. Metod konechnyh ob'emov v prilozhenii k zadacham gidrogazodinamiki i teploobmena v oblastyah slozhnoy geometrii // Nauchno-tehnicheskie vedomosti SPbGPU, – 2004. – № 2. – S. 36–42.
