8 - 2005

ANSYS CFX: проектируем инженерные системы здания

Денис Хитрых

Проблемы

Решения

Расчет теплового баланса

Аэродинамика здания

Противопожарная безопасность

Теплообменное оборудование

Тепловые завесы

Заключение

Компания ЗАО «ЕМТ Р» продолжает публикацию цикла статей, посвященных решениям ANSYS для различных отраслей промышленности. В этом номере будет рассказано об успешном опыте применения программного комплекса ANSYS CFX при проектировании систем вентиляции и отопления здания. Особое внимание было уделено вопросу моделирования процессов горения. Следует подчеркнуть, что ANSYS CFX может оказаться полезным инструментом для оценки эффективности систем пожаротушения.

Проблемы

Современные технологии компьютерного моделирования позволяют сократить сроки проектирования и монтажа инженерных систем зданий при минимальных материальных за­тратах.

Они помогают инженерам грамотно реализовать в проекте здания энергосберегающие мероприятия, найти оптимальное сочетание технических решений по ограждающим конструкциям и инженерным системам. При этом экономится от 30 до 70% энергии — тепловой и электрической. В итоге получается, что стоимость строительства таких зданий не слишком отличается от обычной, но уровень комфортности и степень функциональности всех систем здания возрастают.

Известно, что современные здания обладают огромными резервами повышения их тепловой эффективности, но до последнего времени проектировщики уделяли мало внимания вопросу оптимизации теплозащитных конструкций здания. А ведь это комплексная задача, которая требует правильного решения многих вопросов — в том числе выбора состава материалов, порядка расположения слоев и их толщины. И здесь полезными могут оказаться методы численного моделирования реальных физических процессов.

Другая проблема, актуальность которой не вызывает сомнений у специалистов в области климатизации зданий, связана с таким понятием, как «микроклимат помещения». Причина этого внимания заключается в неудовлетворительном состоянии микроклимата зданий, в его отрицательном влиянии на здоровье людей и на производительность труда. Условия микроклимата помещения (температура, влажность, скорость движения воздуха) должны учитывать индивидуальные потребности каждого человека, вследствие чего климатические системы здания должны обладать возможностью индивидуального регулирования параметров микроклимата. Но для этого необходимо точно знать метеорологические условия внутренней среды помещения в любой его точке.

Похожая проблема возникает и при проектировании систем пожаротушения и дымоудаления. И здесь нас опять может выручить численный расчет параметров внутреннего воздуха в помещении.

В начало В начало

Решения

Итак, сначала мы обозначили основные проблемы, над решением которых ежедневно работают тысячи инженеров и конструкторов, проектирующих инженерные системы зданий (ИСЗ), а теперь расскажем о некоторых задачах из области ИСЗ, которые были успешно решены в ANSYS CFX.

ANSYS CFX — это специализированный программный комплекс вычислительной гидродинамики (ВГД), основной задачей которой является численное решение уравнений Навье-Стокса. Математические модели, разработанные в рамках ВГД, в настоящее время представляют собой базу для исследования большого числа разнообразных технологических процессов, разработки оригинальных конструкторских решений и мониторинга экологических проблем.

Масштабы изучаемых явлений самые разнообразные — от климат-контроля современного автомобиля до циркуляции воздуха в атмосфере, от движения жидкости в кровеносных сосудах до масштабных океанических течений, от распространения примесей малой концентрации в небольших объемах до попадания выбросов промышленных предприятий в атмосферу.

Вот лишь небольшой перечень задач, которые можно решить с помощью ANSYS CFX:

• моделирование работы систем вентиляции и кондиционирования (СВК) жилых зданий и производственных помещений;

• расчет и подбор оборудования промышленных СВК: расчет камер орошения, калориферов, холодильников и пр.;

• проектирование систем водоснабжения и отопления зданий: расчет газовых водона­гревательных приборов, котлов, работающих на твердом топливе, воздушных тепловых завес, трубопроводов холодного и горячего водоснабжения и т.д.;

• проектирование систем механического дымоудаления (вентиляторы, воздуховоды, клапаны, детекторы).

В начало В начало

Расчет теплового баланса

Повышение уровня жизни ставит соответствующие требования к системам СВК по обеспечению теплового комфорта и качества воздушной среды в помещениях. Известно, что более 50% людей не удовлетворены качеством воздуха. Плохой воздух, неблагоприятный температурно-влажностный режим в помещениях становятся дополнительной проблемой, стоящей в одном ряду с социологическими и психологическими.

Компания Olof Granlund Oy (Финляндия) решила избавиться от данной проблемы и при проектировании нового административного здания в городе Хельсинки воспользовалась технологией ANSYS CFX (рис. 1). Особенностью этого здания является то, что площадь его остекления составляет более 80% площади наружных стен. Естественный дневной свет создает меньшую тепловую нагрузку по сравнению с электрическим освещением, однако при таком большом остеклении фасада здания возможен перегрев в солнечные дни.

Существующая методика расчета теплового баланса помещения оперирует средней температурой воздуха в помещении, но даже при правильной оценке средней температуры обитатели некоторых помещений могут испытывать определенный дискомфорт, связанный со сквозняками, с интенсивным тепловым излучением, со слишком высокой температурой или, наоборот, с чересчур низким ее значениями. Для исправления ситуации необходимо было прибегнуть к длительному и дорогостоящему процессу доводки с помощью метода проб и ошибок. Однако, не умаляя всех достоинств и заслуг этого метода перед наукой, все же скажем, что приблизиться с его помощью к истине может только очень опытный инженер.

Для анализа температурного режима и характера воздушных потоков во всем здании специалисты Olof Granlund Oy использовали k-w-модель турбулентности и модель Монте-Карло для моделирования лучистого теплообмена. При этом в расчете были учтены даже малорасходные вентиляционные решетки, моделирование которых на фоне масштабных открытых площадок атриума представляет известную трудность. По этой причине густота сетки была максимальной в зонах больших градиентов параметров потока. И программный продукт ANSYS CFX в рассмотренном примере прекрасно дополнил возможности традиционных методов расчета энергетического баланса.

В начало В начало

Аэродинамика здания

Сегодня в подавляющем большинстве случаев жилые здания оснащаются вытяжными системами вентиляции с естественным побуждением, причем в арсенале современного проектировщика практически нет ни одного инженерного метода, способного достаточно полно охватить картину формирования воздушного режима в здании. Методы же математического моделирования позволяют грамотно вы­брать конструкцию окон, допускающих естественное проветривание помещений, а также оптимальную ориентацию здания с учетом ветрового воздействия (рис. 2 и 3).

Кроме того, строительство любого высотного здания на участке со сложившейся городской застройкой всегда изменяет аэродинамику окружающих строений. Так, на прилегающих улицах могут возникать очень сильные вихревые воздушные потоки. А если на небольшом участке территории располагается не одно, а несколько высотных зданий, то их взаимодействие между собой практически невозможно рассчитать традиционными методами. В этой ситуации архитекторы вынуждены проводить исследования в аэродинамической трубе на масштабных моделях зданий, а это процесс длительный и требующих больших финансовых затрат. Технологии ANSYS CFX в данном случае экономят и время и деньги.

В начало В начало

Противопожарная безопасность

Противопожарная безопасность жилых зданий, офисных помещений, цехов промышленных предприятий обеспечивается прежде всего мерами профилактического характера, которые должны минимизировать саму возможность возгорания.

Время эвакуации из горящего здания исчисляется минутами. Естественная реакция человека на пожар — бегство, но огонь мгновенно отрезает все пути к отступлению. Поэтому уже на самом раннем этапе проектирования здания необходимо предусмотреть меры пассивной защиты от огня: деление площадей на отдельные участки и зоны, организация отстойников и путей эвакуации, адекватная защита лестниц и лифтов, организация системы отвода дымовых газов. В связи с этим при проектировании систем пассивной безопасности следует использовать компьютерное моделирование процессов горения, и здесь мы кратко расскажем об основных моделях ANSYS CFX, которые описывают турбулентные и ламинарные реагирующие потоки.

Модель распада вихрей (Eddy Dissipation Model, EDM) разработана для описания турбулентных пламен предварительно перемешанных смесей и диффузионных пламен. EDM построена на основе предположения, что химические реакции очень быстро приводят реагирующую смесь к равновесному состоянию. Данная модель позволяет исследовать длину пламени и пространственные изменения таких основных параметров, как температура и концентрация горючего, кислорода и воды. Однако из предположения о быстрой химии следует, что такое пламя никогда не потухнет. Использование же модели EDM совместно с моделью лангранжевых частиц позволяет моделировать процессы, происходящие в топках угольных котлов, и в том числе оценивать оптимальную степень измельчения угля.

В противоположность неограниченно высоким скоростям быстрой химии модель Finite Rate Chemistry Model (FRC) учитывает следствия конечности скорости химических реакций. Она позволяет рассчитывать скорости реакций, описываемые молекулярным взаимодействием между компонентами жидкости. На рис. 4 показаны результаты расчета процессов горения и распространения дымовых газов по лестничным пролетам жилого здания.

В начало В начало

Теплообменное оборудование

Теплообменные аппараты различных типов (рекуперативные, регенеративные и смесительные) широко используются в строительной индустрии. Как и любая техническая система, теплообменный аппарат оценивается основным показателем качества — энергетической эффективностью. В общем виде энергетическая эффективность определяется соотношением между полезным эффектом (переданным тепловым потоком) и материальными затратами (металлоемкость и мощность на прокачку теплоносителя).

Задачи интенсификации теплообмена обычно сводятся к уменьшению габаритных размеров и массы теплообменных аппаратов. При течении однофазных теплоносителей обычно используют турбулизаторы потока или развитые поверхности.

Знание гидродинамической структуры турбулентного потока и особенностей теплообмена в нем (распределения плотностей тепловых потоков или поля температур) позволяет выявить области, в которых увеличение интенсивности турбулентных пульсаций окажет наибольшее влияние на интенсификацию теплоотдачи. В этом смысле ANSYS CFX открывает новые перспективы для исследователей моделирования турбулентных потоков.

В последние два десятилетия широкое распространение получили различные полуэмпирические модели турбулентности, не учитывающие мелкомасштабных пульсаций. Они отличаются друг от друга лишь способом замыкания осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса, и все они в той или иной степени нашли отражение в ANSYS CFX. Подробно о современных моделях турбулентности можно узнать из специальной литературы (см., например, Wilcox. Turbulence modeling for CFD. 1998).

В примере, показанном на рис. 5, для расчета течения с теплообменном в каналах пластинчатого рекуператора использовалась SST k-w-модель турбулентности. Автором данной модели является Флориан Ментер (ANSYS, Германия). Основываясь на том, что модели турбулентности типа k-e с высокой степенью достоверности описывают сдвиговые течения на удалении от стенки, а модели типа k-w имеют преимущество при моделировании пристеночных течений, Ментер в 1993 году предложил модель, сочетающую лучшие свойства обеих моделей. Данная модель хорошо описывает отрывные течения, которые являются характерными для целого ряда конструкций теплообменных аппаратов с интенсификаторами процесса теплообмена.

В начало В начало

Тепловые завесы

Воздушные тепловые завесы (ВТЗ) являются сегодня основным средством борьбы с потоками холодного наружного воздуха, который проникает в здание через открытые проемы. Воздушные завесы — очень энергоемкие устройства, поэтому повышение их эффективности является важной и актуальной задачей. Проектирование ВТЗ ведется с использованием различных методик, многие из которых не соответствуют реальной физике процесса и приводят к ошибочным результатам.

В силу указанных обстоятельств нам представляется целесообразным попытаться использовать для этих целей методы компьютерного моделирования. Пример такого расчета показан на рис. 6.

В начало В начало

Заключение

К сожалению, объем данной статьи не позволил нам рассказать о других важных особенностях программного продукта ANSYS CFX. В частности, за рамками публикации остался вопрос, связанный с построением расчетной сетки, а ведь создание высококачественной расчетной сетки — это залог получения точных и достоверных результатов.

ANSYS, Inc. предлагает два решения в этой области — ANSYS CFX-Mesh и универсальный сеточный генератор ANSYS ICEM CFD. Доступ к этим решениям теперь можно получить и через интегрирующую среду ANSYS Workbench.

* * *

Автор выражает свою признательность Юрию Табунщикову, чья деятельность на посту президента НП «АВОК» вдохновила его на написание этой статьи.

Денис Хитрых

Ведущий инженер по компьютерному моделированию ЗАО «ЕМТ Р».

В начало В начало

САПР и графика 8'2005