Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Воздушно-тепловые завесы: общая информация. Анализ работ, посвященных моделированию аэро - и термодинамических процессов в проеме с ВТЗ 20
1.1. Обзор литературы .20
1.1.1. Общие сведения 20
1.1.2. Развитие струи воздушной завесы в сносящем потоке 22
1.1.3. Современные инженерные методики расчета воздушно-тепловых завес различного назначения. Новейшие методы расчета воздушных завес и инновационные методы экспериментальных исследований
1.2. Цели и задачи исследований 49
1.3. Выводы по главе 1 53
Глава 2. Математическое моделирование аэро- и термодинамических процессов в проемах с воздушно-тепловой завесой. Метод решения поставленной математической задачи 54
2.1.1. Постановка задачи математического моделирования 54
2.1.2. Граничные условия для решения задачи 59
2.1.3. Начальные условия решения задачи 60
2.2.1. Общие сведения о численных методах. Анализ и выбор метода решения применительно к задачам газодинамики в проемах с ВТЗ. Конечно-разностный метод решения задачи.. .61
2.2.2. Дискретизация частных производных 64
2.2.3. Дискретизация уравнений течения газа в пространстве проема 67
2.2.4. Сходимость разностных схем. Точность разностных схем. Выбор и обоснование величин шагов расчета по времени и пространству 68
2.2.5. Модели турбулентности. Анализ и выбор 70
2.3. Создание программы для расчета работы ВТЗ на основе математической модели 73
2.4. Выводы по главе 2 78
Глава 3. Экспериментальные исследования аэро – и термодинамических процессов в проеме с ВТЗ 79
3.1. Методика проведения эксперимента. Оборудование для эксперимента. Экспериментальные стенды 79
3.1.1. Методика проведения эксперимента на реальном проеме с измерительным комплексом с термодатчиками 79
3.1.2. Экспериментальный стенд в проеме с измерительным комплексом с термодатчиками 80
3.1.3. Методика проведения эксперимента на стенде с тепловизором и индикаторным экраном 90
3.1.4. Экспериментальный стенд для исследований с тепловизором 91
3.1.5. Обработка результатов эксперимента 94
3.2. Погрешность эксперимента 97
3.3. Выводы по главе 3 104
Глава 4. Результаты исследований. Анализ процессов в проеме оснащенном ВТЗ. Пусковые режимы работы тепловых завес 105
4.1. Полученные в ходе экспериментов данные и их сравнение с результатами расчетов в различных режимах работы ВТЗ... 105
4.1.1 Симметричные режимы работы завесы 106
4.1.2 Несимметричные и нестационарные режимы работы завесы 112
4.1.3 Пусковые режимы работы завесы 118
4.1.4 Данные экспериментов по методике с тепловизором 128
4.2. Дополнительные расчеты различных режимов работы воздушных завес 135
4.3 Анализ проведенных исследований 138
4.3.1. Научная новизна 139
4.3.2 Практическая и экономическая значимость 143
Основные выводы и результаты работы .148
Список литературы
- Современные инженерные методики расчета воздушно-тепловых завес различного назначения. Новейшие методы расчета воздушных завес и инновационные методы экспериментальных исследований
- Граничные условия для решения задачи
- Методика проведения эксперимента на реальном проеме с измерительным комплексом с термодатчиками
- Симметричные режимы работы завесы
Современные инженерные методики расчета воздушно-тепловых завес различного назначения. Новейшие методы расчета воздушных завес и инновационные методы экспериментальных исследований
Первая вертикальная воздушная завеса была применена в США в 1916 году. В России впервые воздушные завесы начали применять в конце 20-х годов 20-ого века. По предложению Ф.Г. Проскуры [84] данные устройства использовались в угольной промышленности для борьбы с образующейся при загрузке угля пылью. В области технологической вентиляции воздушные завесы начали применяться для локализации выделяющихся от различного производственного оборудования вредностей, например завесы в проемах термических печей или над промышленными ваннами. Однако наибольшее применение воздушно-тепловые завесы нашли в борьбе с холодным воздухом, который проникает через проемы дверей, ворот и разгрузочных окон в холодный период года. Соответственно большинство теоретических и экспериментальных научных работ было посвящено изучению данного варианта применения завес. В настоящее время также появилось некоторое количество работ, в основном зарубежных, посвященных работе воздушных завес в сфере холодильной и торговой техники [134], [140], а также в области обеспечения безопасности [133].
Развитие струи воздушно-тепловой завесы происходит в поперечном потоке воздуха. Изучение того, как развивается струя в сносящем потоке, давно привлекало к себе внимание инженеров и исследователей.
Течения такого рода широко известны в технике: различные завесы, камеры сгорания в газотурбинных установках, газовые горелки, дутье в топках паровых котлов и т.д. Основа для изучения перечисленных явлений – это теории струйных течений: – изотермических струй, затопленной свободной струи, струй воздуха, развивающихся в сносящем потоке. Одним из самых изученных видов турбулентной струи является свободная затопленная струя [3], [4], [5], [6], [7]. На данный момент есть несколько теорий для свободной турбулентности – это теория Прандтля, новая теория Прандтля, теория Тейлора, теория Маттиоли и ряда других авторов. Профессор Г.Н. Абрамович [5] взял за основу существующие теории о свободной турбулентности и с их помощью разработал свою теорию свободных струй.
В тоже время Е.И. Поляков [81] сделал предположение о том, что начальная турбулентность на характер распространения свободной струи не влияет, и выявил, что в основном участке наблюдается один и тот же угол расширения струи. При этом угол расширения струи не зависит от конструкции насадки, из которой происходит истечение. Непосредственное влияние на изменение скорости свободной струи оказывает только кинематический импульс струи, который в свою очередь зависит от формы начального профиля поля скоростей. Данные эксперимента подтвердили предположение, что абсолютные значения энергетических и кинематических характеристик струи зависимы только от количества движения струи на ее выходе из насадки. Данное положение было учтено в обновленной теории свободных турбулентных струй Г.Н. Абрамовича [7] и в работах В.Н. Талиева [103],[104].
Многие задачи вентиляции (высокоскоростное воздухо-распределение, аэрация, воздушное отопление, и др.) связаны с развитием неизотермических струй. В.В. Батурин и И.А. Шепелев [15] сделали первую попытку определить траекторию неизотермической струи. В их работе указано, что критерий Архимеда влияет на искривление неизотермических струй. С помощью графического сложения векторов средних скоростей вдоль оси струи воздушной завесы и векторов скоростей потока ветра, входящего в ворота, В.В. Батурин и И.А. Шепелев вывели уравнение для изогнутой оси струи воздушной завесы.
Профессор Г.Н. Абрамович, используя данные эксперимента [8], разработал теоретический метод расчета формы горизонтальных искривленных струй. Затем И.А. Шепелев [120] вывел уравнение для траектории струи в более общем виде. Он же [121] получил основные зависимости для расчета плоской, веерной и осесимметричной свободных неизотермических струй. Расчетные зависимости И.А. Шепелева дают хорошую сходимость для фонтанов, однако значения температуры и осевой скорости значительно отличаются от опытных данных в целом ряде случаев.
Формулы расчета траектории для неизотермической струи были также получены В.Н. Талиевым [104] и В.С. Омельчуком [79] независимо друг от друга. При этом они дают весьма близкие результаты.
При экспериментальных исследованиях С.С. Сыркина и Д.H. Ляховского [69] формы струи нагретого воздуха, который втекает в воздух с нормальной температурой, выявлены значительные расхождения с теоретическим решением В.В. Батурина и И.А. Шепелева.
Работы современных отечественных и зарубежных авторов в основном базируются на ранее проведенных исследованиях, однако имеется ряд изысканий, основанных на современных методах изучения газодинамических явлений, и они будут рассмотрены ниже в п. 1.1.4.
Взаимодействие воздушной струи со сносящим потоком достаточно сложно. Когда истечение струи происходит под некоторым углом к сносящему потоку, то ось струи искривляется в сторону движения воздуха в результате воздействия этого потока. Непосредственным измерением Г.С. Шандоров [118] установил, что перед воздушной струей в сносящем потоке и в лобовой части самой струи есть зона с повышенным статическим давлением, в то время как в кормовой части струи и за струёй – зона разрежения. То есть физической причиной искривления траектории струи является разница давлений по обе ее стороны. Поперечное сечение круглой струи в результате действия сносящего потока деформируется и обретает подковообразную форму. Это объясняется тем, что слои находящиеся на периферии струи, которые обладают малой скоростью и интенсивно сдуваются, имеют большее искривление траектории, в отличие от основных слоев струи.
Взаимодействие воздушной струи со сносящим потоком таково, что в самой струе и за ней имеются вторичные вихревые течения. В результате этого процесс смешения газов в данной струе теоретически должен происходить более интенсивно, чем в струе, которая вытекает в неподвижную среду. Но в [119] на основе проведенных измерений в различных сечениях струи выявлено следующее: изменение массы струи, которая развивается в поперечном потоке, такое же, как и у свободной.
Граничные условия для решения задачи
В начальный момент времени необходимо задать поля скорости, температуры, плотности и давления газа по всей расчетной области. Если конкретные данные для имеющего проема неизвестны, то проще всего начинать расчет с момента включения тепловой завесы. Тогда скорость истечения газа из щели меняется со временем от нуля до номинальной скорости истечения. Последняя или просто известна, или может быть определена по паспортным данным конкретной тепловой завесы. То же самое для температуры воздуха, вытекающего из щели, которая будет меняться от температуры в помещении до температуры на выходе конкретной воздушно-тепловой завесы. Скорость набегающего ветра также следует в начальный момент времени считать нулевой и, при наличии ветра, растущей до заданного значения. Это позволяет считать, что в начальный момент времени газ в расчетной области покоился, а давление газа по области одинаково. Температура газа по области в начальный момент времени должна задаваться переменной от температуры на расчетной границе со стороны улицы до температуры на расчетной границе со стороны помещения. Плотность газа по области в каждый момент времени, а, следовательно, и в начальный момент, должна удовлетворять уравнению состояния (40).
Общие сведения о численных методах. Анализ и выбор метода решения применительно к задачам газодинамики в проемах с ВТЗ. Конечно-разностный метод решения задачи. При помощи современных компьютеров численные методы существенно увеличили число решаемых задач, а так же их сложность. Данным методам свойственна большая универсальность по сравнению с аналитическими методами, они являются наиболее эффективными и перспективными для исследования газодинамических процессов. Соответственно, данные методы можно эффективно использовать для решения поставленной задачи математического моделирования процессов в проемах с воздушно-тепловыми завесами. С их помощью возможно получение решений с заданной степенью точности.
Существующие численные методы решения являются одним из самых мощных инструментов для получения параметров движения для дискретных и распределенных систем. На данный момент наиболее часто применимыми в научно исследовательской и инженерной практике, а так же в газодинамических программах для ЭВМ, являются следующие методы:
Метод конечных элементов широко используется для решения самых разных задач и его вариации используются в большом количестве ПО. Как следует из названия метода, для решения дифференциальных уравнений в заданной области необходимо разделить ее на конечное количество элементов. В каждом из этих элементов выбирается вид аппроксимирующей функции. Значения функции, полученные на границе элемента, есть решение задачи, так как они являются неизвестными. При этом, вне своего элемента аппроксимирующая функция равна нулю. Соответственно, количество составленных в результате этого линейных уравнений пропорционально количеству неизвестных в узлах. Количество уравнений в данном методе может быть ограничено исключительно возможностями вычислительной техники.
Метод конечных элементов имеет ряд преимуществ, проявляющихся на реальных задачах, особенно если форма рассчитываемой области абсолютно произвольная, что важно, например, в задачах механики деформируемого тела.
Также в профессиональных «тяжелых» программных пакетах в последнее время применяется метод конечных объемов. Основой метода [88] конечных объемов является формулировка в интегральном виде законов сохранения массы, энергии, импульса. Соотношения записываются для определенного небольшого контрольного объема, а дискретный аналог получается их суммой по всем граням выделенного объема (вычисление по каким-либо квадратурным формулам). Так как интегральная формулировка не накладывает ограничений на форму объема, данный метод полностью решает проблему течений сложной геометрии. В МКО возможно использование сложных и трудоемких в алгоритмическом плане неструктурированных расчетных сеток с различной формой ячейки. Однако одним из наиболее разработанных и получивших всестороннее развитие методов и при этом достаточно широко используемых для решения задач аэродинамики является метод конечных разностей. Данный метод вводит разностный аналог непрерывной среды. Соответственно, вместо функций непрерывного аргумента, которым описывается среда, описание модели на основе разностного аналога производится функциями дискретного аргумента, которые определены для конечного числа точек на сетке. На дискретную систему алгебраических уравнений (разностную схему) заменяются дифференциальные уравнения, описывающие непрерывное течение газа, начальные и граничные условия. Дискретизация частных производных в уравнении происходит в зависимости от выбора правила дискретизации. Решение задач по методу конечных разностей, при условии, что процесс изменяется во времени, представляет собой процесс, в котором на каждом шаге по времени мы находим решение на новом временном участке (слое). Достоинства метода конечных разностей – это простота его реализации и наглядность при дискретизации. Такие его характеристики позволяют строить схемы с высокими показателями точности.
Методика проведения эксперимента на реальном проеме с измерительным комплексом с термодатчиками
По данным, полученным в ходе описанного в главе 3 эксперимента, можно не только судить о сходимости и адекватности математической модели, но и внимательно изучить процессы, происходящие в проеме, оснащенном ВТЗ в различных режимах работы, в том числе в пусковом режиме. Пусковые режимы работы завесы представляют немалый интерес для совершенствования данного вида оборудования, как с точки зрения надежности, энергоэффективности и применения самих агрегатов, так и с точки зрения регулирующей и контролирующей автоматики и систем диспетчеризации объекта, где установлена завеса [44]. Моделирование пусковых режимов работы ВТЗ позволит на этапе проектирования и подбора оборудования учесть все возможности данной ВТЗ, в том числе и при необходимости её периодических, кратковременных включений [39].
Но для начала необходимо убедиться в том, что применяемые методики экспериментов удовлетворяют предъявляемым им требованиям по точности и достоверности, а математическая модель адекватна. Для этого необходимо провести сравнительный анализ данных, полученных в ходе серии экспериментов, и данных, полученных расчетным путем с помощью программы расчета. Начать следует с простых стационарных режимов работы, тем более что такие режимы так же важны и имеют применение в некоторых областях, как то: разделение воздушных зон в чистых комнатах, защита от насекомых и пыли и различные технологические цели. Далее перейти к более распространенным нестационарным режимам и наиболее интересным в наших исследованиях пусковым режимам.
Симметричные режимы работы завесы При симметричных вариантах температура в разделенных помещениях примерно одинаковая и угол отклонения воздушного потока из завесы равен нулю (=0), отсутствует ветровое давление. Такие условия кажутся идеализированными, тем не менее, они достаточно часто встречаются во внутренних помещениях технологических цехов, где важно разделить воздушные зоны на условно «загрязненную» и «чистую». Например, при пищевом производстве. Данный эксперимент проводился на завесе «Мини-3» по методике с термодатчиками при следующих граничных условиях:
Диаграммы распределения температур на контрольных высотах. Сверху экспериментальные данные, снизу расчетные данные Завеса демонстрирует высокую эффективность. Влияние каких либо факторов на работу завесы отсутствует. Сравнивая полученные поля температур (Рис. 4.1) и диаграммы распределения (Рис. 4.2) видно, что площадь растекания в расчете получается выше. Также в расчете температура воздуха на периферии выше 1-2 К. Эксперимент подтверждает расчетные данные с небольшой 108 погрешностью, обусловленной несовершенством измерительного оборудования и невозможностью создания идеальных условий. - Завеса «Классик-1006» по методике с термодатчиками. В данном эксперименте увеличена расчетная область и расчетная сетка более мелкая, чем в предыдущем эксперименте. Граничные условия:
Завеса «Классик» более мощная, чем предыдущая модель, однако соотношение расхода воздуха к мощности несколько иное, соответственно, разница температур в помещениях и на выходе из завесы ниже, чем у «Мини-3». Тем не менее, это компенсируется высокой скоростью и большим расходом воздуха на выходе из воздуховыпускной решетки. Видно, что ВТЗ полностью перекрывает проем. Так же как и в первом эксперименте, никакие негативные факторы не влияют на ВТЗ. Заметна большая область растекания теплого воздуха с одной стороны, что объясняется большим расходом воздуха завесы, соответственно и большими скоростями со стороны воздухозаборной решетки. Эксперимент подтверждает расчет с небольшой погрешностью.
Эксперимент дает явно более «рваные» данные по характеру течения, что отчетливо видно по диаграммам распределения температур на контрольных высотах (Рис. 4.4), что связано, как с трудностями создания идеальной картины течения в проеме, так и с погрешностью проводимого эксперимента.
Кроме полей температур необходимо так же убедиться в адекватности математической модели по расчету скоростей течения воздуха. Так как экспериментально представить такое же подробное поле скоростей, как и поле температур, задача более трудоемкая, можно оценить адекватность модели на контрольных высотах по составляющей вектора скорости U.
Симметричные режимы работы завесы
Положения о научной новизне в данной работе указаны во введении это: - разработка математической модели турбулентного, нестационарного течения вязкого газа, которая позволяет определять для каждого момента времени поля температуры, давления, плотности и скорости течения газа в проеме с ВТЗ; - разработка методов численного решения систем уравнений, составляющих математические модели и их обосновании; - разработка методики экспериментальных исследований процессов в проеме с ВТЗ; - подробное исследование пусковых режимов работы воздушной завесы; - получение новых экспериментальных и расчетных данных о работе ВТЗ в различных условиях эксплуатации. Все вышеуказанные положения отражены в работе. Хотя уравнения течения вязкого газа известны давно, так же как и метод конечных разностей и модель турбулентности, применительно к воздушно-тепловым завесам с учетом специфики их работы они не использовались.
В ходе экспериментальных исследований, проведенных в рамках данной работы получены, новые опытные данные о работе воздушно-тепловых завес в различных режимах эксплуатации. При проведении этих исследований использовались различные методики постановки эксперимента.
Исследованы малоизученные пусковые режимы воздушно-тепловых завес. Описаны процессы, происходящие при пуске ВТЗ. Ниже в п. 4.2.2 предложена схема автоматизации ВТЗ с использованием пусковых режимов, с возникающим при этом экономическим эффектом.
В ходе данной работы также выявлен эффект, возникающий в пусковых режимах работы, ранее до этого не описанный. Эффект отклонения воздушной струи в сторону более холодного помещения на первых секундах работы завесы (п. 4.1.3). Этот эффект подтвержден экспериментально и теоретически (п. 4.1.3). В статье [39] также проведены результаты расчета, в котором наблюдается данный эффект хоть и в меньшей степени, вероятно из-за меньшей разницы температур
Сравнение проводилось по данным проведенного в п.4.1.2 эксперимента с несимметричным режимом.
Как видно, данные не сильно различаются (Рис. 4.42), а разница объясняется использованием разных подходов и методов решения газодинамической задачи и использованием различных моделей турбулентности. Практическая и экономическая значимость исследований проведенных в рамках данной работы заключается в двух следующих положениях Применение разработанной методики расчета в проектно-конструкторской деятельности Применение разработанной методики расчета в проектно-конструкторской деятельности имеет следующую практическую значимость. Используя данную методику расчета и программы, как уже было описано выше, сокращается время расчета одного варианта ВТЗ, по сравнению с профессиональными программными пакетами, за счет существенного уменьшения времени подготовки расчета и «громоздкости» самой программы. По сравнению же с обычными инженерными методами расчета ВТЗ, пользователь получает точность расчета профессионального CFD-пакета, при этом не затрачивая значительного времени на обучение персонала и материальных средств на закупку дорогостоящего вычислительного оборудования и, собственно, самого дорогостоящего ПО. Это является наилучшим решением для тех предприятий, которые не нуждаются в громоздких программных пакетах, но у них есть необходимость постоянных проектных расчетов и подборов воздушно-тепловых завес. А учитывая, что разработанная методика позволяет рассчитывать и нестационарные, и пусковые режимы работы завес, то это поможет расширить круг решаемых задач.
Применение пусковых режимов работы тепловой завесы рассчитанных с помощью данной методики Применение пусковых режимов работы тепловой завесы, которые позволяет рассчитывать разработанная в рамках данной работы программа, а так же результаты проведенных в данной работе исследований, позволяют повысить эффективность применения тепловых завес, в различных отраслях деятельности человека начиная от «чистых» производств до просто бытовой экономии электроэнергии.
Эффективное применение пусковых режимов работы тепловых завес позволяет оптимизировать их работу, что естественным образом положительно сказывается на поддержании заданных параметров в защищаемом объекте. Также использование пусковых режимов, основанное на точном расчете по времени запуска завесы, проведенного с помощью разработанной программы, может увеличить потенциал энергоэффективности применения данного оборудования.
В тех случаях, когда время открытия проема известно, исследования пусковых режимов и возможность их точного расчета проявляют свою практическую и экономическую значимость. Например, такая возможность есть на некоторых видах железнодорожного транспорта. На электропоезде ЭТ4А, производства ОАО «Торжокский Вагоностроительный завод», разработки ЦНИИ «ТрансЭлектроПрибор», применяется система автоведения поезда, по данным которой можно узнавать о точном времени остановки поезда. На ОАО «НПП «Дальняя связь» с применением программы расчета, разработанной в рамках данной диссертационной работы, спроектирована воздушно-тепловая завеса ЗВТ 145 4 для этого электропоезда (Рис. 4.43). Она установлена у пассажирских дверей и включается по команде от блока управления микроклиматом (БУ МК), который в свою очередь использует данные системы автоведения поезда (САВП) (Рис. 4.44). Таким образом, это позволяет решить проблему с падением температуры воздуха при посадке-высадке пассажиров на остановке, а следовательно уменьшает затраты на поддержание заданных параметров (не требуется «догрев» салона основной СКВ после остановки).