Введение к работе
Актуальность темы исследования. Одной из основных санитарно-
экологических проблем 21 века является ухудшение качества воздуха помещений
гражданских зданий, что связано с рядом факторов: повсеместным внедрением
полимерных материалов, являющихся источниками вредных выделений,
увеличением тепловой нагрузки, связанной с использованием мощной
вычислительной техники, загрязнением приточного воздуха вследствие ухудшения экологии городов и пр., что приводит к необходимости увеличения воздухообмена.
Решение этой проблемы затруднительно при использовании существующих способов воздухораздачи, так как при их применении в помещениях административного назначения, отличающихся сравнительно небольшой высотой (порядка 3-х метров), воздух поступает как правило в верхнюю зону помещения и при перемещении его в рабочую зону помещения происходит его загрязнение, что снижает эффективность системы вентиляции, так как увеличение воздухообмена связано с дополнительными затратами теплоты на нагрев воздуха. Подача воздуха с большей скоростью так же не представляется возможным, так как возникает риск появления зон с повышенной скоростью воздуха, что ограничено нормативной величиной подвижности воздуха в рабочей зоне помещения.
Применение на практике новых типов воздухораспределителей, к числу которых относятся микроперфорированные текстильные воздухораспределительные устройства (далее - ВУ), позволит подать приточный воздух в рабочую зону помещения непосредственно вблизи расположения людей быстрозатухающими микроструями, которые имеют скорость на выходе из микроотверстий не выше нормативной подвижности воздуха в рабочей зоне помещения.
Актуальной задачей на данный момент является разработка методики расчета воздухораспределения с помощью микроперфорированного текстильного ВУ.
Степень разработанности темы. Исследованию в области теории воздухораспределения в помещениях различного назначения посвящены работы Абрамовича Г.Н., Идельчика И.Е., Гримитлина М.И., Шепелева И.А., Талиева В.Н., Батурина В.В., Бодрова М.В., Мансурова Р.Ш. и других авторов. На сегодняшний
4 день накоплен большой объем справочной информации, расчетных формул,
позволяющих определять основные параметры приточных струй. Однако, в
современной специальной литературе отсутствует методика расчета
воздухораспределения с помощью микроперфорированных текстильных ВУ,
особенностью которых является подача свежего воздуха ламинарными
микроструями. В связи с возрастающей востребованностью применения таких типов
ВУ, разработка методики расчета, позволяющая на стадии проектирования
учитывать особенности формирования приточного воздуха микроструями, является,
безусловно, актуальной.
Объект исследования: микроперфорированное текстильное ВУ, система вентиляции.
Предмет исследования: струйные течения от микроперфорированного текстильного ВУ, тепломассообмен воздуха в микроструе, воздухораспределение в помещении с микроперфорированным текстильным ВУ.
Цель и задачи исследования: Целью работы является разработка методики
расчета воздухораспределения в помещении гражданского здания с помощью
микроперфорированного текстильного ВУ при помощи численных и
экспериментальных методов исследований.
Для достижения цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Провести анализ существующих инженерных методик расчета основных параметров приточных струй, результатов теоретических и экспериментальных исследований.
-
Разработать методику численного моделирования тепломассообмена воздуха в ламинарных и турбулентных струях и ее программную реализацию.
-
Выполнить численное исследование основных параметров (дальнобойности, продольной и поперечной скорости) микроструй с помощью разработанной методики.
-
Провести анализ влияния расположения отверстий в микроперфорированном текстильном ВУ на основные параметры истечения и особенности формирования приточных микроструй.
5. Расширить область применимости существующих расчетных формул по
определению основных параметров струй для случая ламинарного режима истечения.
-
Выполнить экспериментальное исследование сопротивления микроперфорированного текстильного ВУ.
-
Разработать и апробировать методику расчета воздухораспределения в помещении гражданского здания, укомплектованного микроперфорированным текстильным ВУ.
Научная новизна:
разработаны и верифицированы методика и алгоритм численного моделирования теплообмассообмена воздуха в ламинарных и турбулентных струях, основанные на математической модели стационарного пограничного слоя с использованием метода контрольного объема, отличающиеся возможностью расчета продольного и поперечного профиля скорости в струе и микроструе;
определены на основе численного моделирования осевая, продольные и поперечные скорости в свободной микроструе и ее дальнобойность, а также доказано, что расположение отверстий в ВУ не оказывает влияние на динамику развития микроструи;
введены уточненные коэффициенты для существующих расчетных формул И.А. Шепелева по определению осевой и продольной скоростей приточной компактной струи, а также ее дальнобойности для случая ламинарного режима истечения;
предложена на основе экспериментальных данных зависимость изменения коэффициента гидравлического сопротивления микроперфорированного текстильного ВУ от числа Рейнольдса;
разработана методика расчета воздухораспределения в помещении гражданского здания с помощью микроперфорированного текстильного ВУ на основе CFD моделирования.
Теоретическая и практическая значимость работы:
Теоретическая значимость работы:
проведена модернизация методики численного моделирования тепломассообмена воздуха в ламинарных и турбулентных струях на основе математической модели стационарного пограничного слоя с использованием метода контрольного объема;
предложена методика расчета воздухораспре деления в помещении гражданского здания с помощью микроперфорированного текстильного ВУ на основе полномасштабного моделирования с применением численного решения системы дифференциальных уравнений Навье-Стокса (Рейнольдса);
проведена модернизация существующих расчетных формул по определению осевой и продольной скоростей приточной компактной струи, а также ее дальнобойности для случая ламинарного режима истечения.
Практическая значимость работы:
создан программный комплекс, позволяющий определять основные параметры ламинарных и турбулентных струй, на основе которого вычислен диапазон дальнобойности микроструй в зависимости от ее кинематического импульса, получены профили продольной и поперечной скоростей в микроструе;
определена дальнобойность микроструй при коридорном и шахматном расположении микроотверстий в микроперфорированном текстильном ВУ с помощью численного моделирования и экспериментального исследования;
определена экспериментальная зависимость коэффициента гидравлического сопротивления микроперфорированного текстильного ВУ от числа Рейнольдса;
разработано и внедрено персонализированное ВУ с микроперфорированным текстильным вкладышем, запатентованное в качестве полезной модели.
Методология и методы исследования
Методологической основой работы являются существующие теоретические положения и результаты экспериментальных исследований отечественных и зарубежных ученых в области воздухораспределения, стандартные инженерные методики расчета основных параметров приточных струй. Основными методами,
7 используемыми в диссертационной работе, являются: методы математического
моделирования, основанные на методе контрольного объема, метод
экспериментального исследования гидравлических характеристик воздуховода с
помощью поверенного измерительного оборудования, апробированные численные
методы расчета в STAR CCM+.
Положения, выносимые на защиту:
методика и программный комплекс для численного моделирования теплообмассообмена воздуха в ламинарных и турбулентных приточных струях;
методика расчета воздухораспределения в помещении гражданского здания, укомплектованного микроперфорированным текстильным ВУ на основе CFD моделирования;
уточненные расчетные формулы по определению осевой и продольной скоростей приточной компактной струи, а также ее дальнобойности для случая ламинарного режима истечения;
принципиальная схема персонализированного воздухораспределительного устройства.
Степень достоверности результатов работы: Обоснованность и достоверность результатов диссертационного исследования подтверждается применением апробированных методов численного моделирования, проведением экспериментальных исследований с помощью поверенного измерительного оборудования, верификацией разработанных методик и программного комплекса путем решения тестовых задач имеющих точное решение.
Апробация результатов работы: Основные результаты диссертационной работы доложены на научных семинарах в НИУ МГСУ, а также на Международной научно-практической конференции - академических чтениях «Строительная физика. Системы обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях», г. Москва, 2014 г., Международной научной конференции «Интеграция, партнёрство и инновации в строительной науке и образовании», г. Москва, 2014 г., XIII международной научной конференции 15 апреля - 29 апреля 2015 г. Качество внутреннего воздуха и окружающей среды, г. Сиань.
8 Личный вклад автора заключается в непосредственном участии при разработке
научной проблемы; в проведении численных и экспериментальных исследований,
обработке, анализе и интерпретации полученных результатов; в разработке,
верификации и апробации инженерной методики расчета воздухораспределения с
помощью микроперфорированного текстильного воздухораспределительного
устройства.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ,
обладающих научной ценностью, в том числе 7 статей, опубликованных в научных
журналах, входящих в перечень рецензируемых научных изданий, в которых
должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на
соискание ученой степени кандидата наук, на соискание ученой степени доктора
наук, и 1 патент на полезную модель №156974 от 26.10.2015 г.
Структура и объем работы