Табл. 1. Сопоставление воздухообменов после произведенных расчетов
Табл. 2. Объемы воздуха и скорости в аэрационных проемах
Балансовые методы расчета, традиционно применяемые в проектировании систем вентиляции, позволяют оценить воздухообмены, необходимые для ассимиляции тепла и разбавления вредных веществ, поступающих в помещения до величин ПДК, но, к сожалению, не гарантируют эффективной работы вентиляционных систем в реальных условиях. Это во многом объясняется тем, что не учитываются условия, которые оказывают существенное влияние на динамику вентиляционных процессов, изменяя расчетные воздухообмены, особенно при естественной вентиляции.
Вредные вещества, содержащиеся в вентиляционных и других низких выбросах, попадая в зоны циркуляции потока, при неблагоприятных условиях накапливаются до величин, превышающих предельно допустимые значения, и через воздухозаборные устройства или путем инфильтрации возвращаются внутрь помещения. В последние годы в практике проектирования систем вентиляции и кондиционирования воздуха используются программные пакеты, основанные на численном решении уравнений НавьеСтокса.
Их применение позволяет определить не только интегральные, но и локальные параметры воздушной среды в помещениях. Однако аэродинамический режим в помещениях, особенно при естественной вентиляции, формируется под влиянием пространственного распределения давлений и скоростей ветра на прилегающей территории. Содержание вредных веществ в приточном воздухе существенно зависит от места расположения воздухозаборов и направления ветра.
В связи с отмеченным выше, для обеспечения эффективной работы систем вентиляции авторы предлагают на стадии проектирования рассматривать внутреннюю среду зданий и окружающую их атмосферу как единую динамическую систему (ЕДС). Для описания процессов тепломассопереноса в пределах ЕДС разработан метод физико-математического моделирования, который в сочетании с балансовыми методами может рассматриваться как основа новой технологии проектирования и расчета систем вентиляции [1–3].
Этот метод удобен для оперативного анализа вариантов проектных решений. Физико-математическое моделирование внешней и внутренней задач вентиляции позволяют на основе анализа пространственных распределений скорости, давления, температуры и концентраций вредных веществ решить следующие задачи:
- рассчитать энергоэффективные воздухообмены, обеспечивающие стандарты качества воздуха в производственных корпусах;
- выбрать конструктивные решения по организации воздухообмена цехов с естественной вентиляцией;
- выбрать рациональную организацию вентиляционных выбросов на промплощадке и оптимальные места размещения воздухозаборов.
Предлагаемый итерационный метод основан на использовании на первом этапе расчета общепризнанных эмпирических зависимостей для определения требуемых воздухообменов. Решение внутренней задачи предполагает определение расчетного воздухообмена в сочетании с принятой схемой воздухораспределения, обеспечивающих нормируемые параметры воздуха в рабочей зоне. Система исходных уравнений включает: воздушные и тепловые балансы, закономерности струйных течений, характеристики воздухораспределителей, их количество и расположение, геометрические условия (для определения, например, взаимодействия, степени стеснения струй и т.п.).
Предложенный метод может примениться как к помещению в целом, так и к его характерным (с точки зрения тепломассопереноса) зонам [2–3]. На втором этапе проводится численное моделирование внутренней задачи без учета аэродинамики застройки (ветрового давления и скоростей в заборных устройствах систем вентиляции). Результаты расчета позволяют проанализировать в объеме цеха скорости движения воздуха, пространственное распределение температуры и концентраций вредных веществ.
На третьем этапе определяются особенности взаимодействия зданий с ветровым потоком (аэродинамические особенности ветрового режима группы зданий). Выполняется численное моделирование внешней задачи. Анализ полученных при расчете полей скорости и давлений позволяет уточнить граничные условия для расчета внутренней задачи [4]. И, наконец, четвертый этап — численное моделирование внутренней задачи с уточненными граничными условиями.
По результатам этого этапа уточняются скорости и концентрации в местах выбросов в атмосферу. Последний этап — расчет загрязнения прилегающей территории, оценка концентраций в местах воздухозаборов. Это, в свою очередь, позволяет оценить эффективность работы запроектированных систем вентиляции различных производственных корпусов, расположенных на промплощадке, и определить количество вредных веществ, поступающих в корпуса с приточным воздухом.
Внешняя и внутренняя задачи вентиляции имеют свои особенности, поэтому реализованы с помощью различных математических моделей. В основе обеих моделей лежит система дифференциальных уравнений Навье-Стокса и уравнение неразрывности. Для дискретизации дифференциальных уравнений использован метод конечных объемов на трехмерной ортогональной несмещенной сетке. Программные компоненты комплекса позволяют описать геометрию моделируемого пространства и задать переменную плотность сетки в расчетной области.
Для любого интервала сетки задаются размеры ячеек на концах и чисто ячеек на интервале. Метод сжатия организован по алгоритму, использующему функции тангенса и гиперболического тангенса. Интерполяция производных для конвективных членов уравнений выполняется по схеме «против потока» с коррекцией, использующей результаты предыдущих итераций. Для диффузных членов используется интерполяция центральными разностями. В процессе внешней итерации последовательно ре тируется на выходных границах расчетной области для обеспечения контроля сохранения массы.
Затем решается система уравнений для корректировки давления по схеме Simple и выполняется несложная коррекция всего поля скоростей. Последний этап внешней итерации — расчет поля турбулентной вязкости. В программе для расчета воздухообменов используется модель турбулентного переноса κ-£. В случае внешней задачи размер области, в которой моделируется движение воздуха, может достигать сотен и даже тысяч метров.
При этом моделировать турбулентное движение воздуха в непосредственной близости от твердых поверхностей не представляется возможным — это требует дискретизации дифференциальных уравнений, на сетке сильно сгущенной в пристенной области. Поэтому при решении данной внешней задачи для моделирования турбулентного переноса применяется метод, предложенный Смагоринским.
Распределение концентрации пассивной примеси в расчетной области рассчитывается интегрированием уравнения переноса скалярной субстанции с использованием тех же вычислительных методов, как и при расчете полей скорости в этой версии программного комплекса. Разработанный метод реализован в вице программного комплекса SPC.
Тестирование численных моделей проводилось по результатам исследований аналогичных ситуаций, выполненных методом физического моделирования на моделях цехов с источниками теплогазовыделений и в аэродинамической трубе кафедры физики СПбГАСУ, а также по известным в литературе данным экспериментальных исследований. Предложенная методика использовалась для прогнозирования экологической ситуации в корпусах электролиза алюминия и на промышленной площадке.
Анализ произведенных расчетов позволил выполнить сопоставление воздухообменов, полученных с применением инженерного метода (балансовый метод) и численного решения дифференциальных уравнений (табл. 1). Из данной таблицы видно, что воздухообмен, рассчитанный с применением балансового метода, на 15 % выше рассчитанного с использованием численного моделирования. С учетом ветрового давления в аэрационных проемах значения рассчитанных воздухообменов близки по значению.
Длина корпусов электролиза алюминия — 400–1200 м. На промплощадке располагаются, как правило, не менее трех корпусов. Расстояния между ними — 30–50 м. При обтекании производственных зданий ветровым потоком образуется единая зона аэродинамической тени, характеристики которой зависят от конкретного расположения объектов на промплощадке. При различных направлениях ветра динамическое давление в аэрационных проемах для разных корпусов различно.
В аэрационных проемах первого по потоку корпуса будет наблюдаться значительный перепад давлений с наветренной и подветренной сторон. Для последующих корпусов этот перепад будет значительно меньше (давление в аэрационных проемах определяется на третьем этапе расчета). Например, для направления ветра перпендикулярно продольной оси корпусов для первого по потоку здания при учете ветрового давления в аэрационных проемах аэрация корпуса осуществляется в основном с наветренной стороны.
Объемы воздуха и скорости в аэрационных проемах при учете динамического давления и без него приведены в табл. 2. При решении внутренней задачи без учета перепада давлений в аэрационных проемах объемы воздуха, проходящие через жалюзи с противоположных сторон корпуса, практически одинаковы. Учет ветрового давления в аэрационных проемах (порядка 6 Па) приводит к тому, что аэрация корпуса осуществляется с наветренной стороны.
Величины объемов и скоростей воздуха в аэрационных решетках отличаются в 15 раз. Поля скоростей, температуры и концентраций деформируются, приводя к перераспределению метеопараметров в объеме корпуса. Для последнего по потоку корпуса перепад давлений в аэрационных проемах будет незначительным и распределение метеопараметров в объеме корпуса будет более равномерным. Существенный фактор при определении воздухообменов — содержание вредных веществ в местах расположения аэрационных проемов.
Анализ полей концентраций, полученных при численном решении внешней задачи, позволяет определить концентрации в аэрационных проемах и ввести поправки на фоновую концентрацию. Величины средних концентраций в местах воздухозабора использовались также для определения количества вредных веществ, возвращаемых в корпуса с приточным воздухом. Максимальный процент возврата вредных веществ в корпуса для данной планировки промплощадки составил 34 % (последний по потоку корпус).
Эффективность аэрации, таким образом, в последнем по потоку корпусе будет ниже, чем в остальных. Применение разработанного метода на стации проектирования промышленных комплексов позволяет проанализировать экологическую ситуацию и выбрать оптимальные инженерные решения, обеспечивающие стандарты качества воздушной среды как в производственных помещениях, так и на прилегающей территории.
