Численное моделирование вентиляционных потоков

Численное моделирование вентиляционных потоков

В практике проектирования систем вентиляции теплонапряженных цехов оперируют параметрами воздушной среды без учета начальной турбулентности потока и конструктивных особенностей воздухораспределительных устройств. Состояние теории численного моделирования газодинамики таково, что методик, пригодных для достаточно широкого круга задач (универсальных методик) фактически не существует, и каждую конкретную задачу приходится решать, опираясь на результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с целью получения недостающей информации для расчета турбулентных течений.

Основное влияние на характер распределения скоростей в восходящих воздушных (вентиляционных) потоках оказывают геометрия и размеры выпусков, начальная скорость, сила тяжести, степень турбулизации восходящего потока. Последний фактор определяется формой выпуска или установкой дополнительных заслонок различной формы, с помощью которых можно существенно изменить характер распределения скоростей в восходящем потоке.

При расчете систем воздухораспределения степень турбулизации может моделироваться путем изменения распределения энергии турбулентных флуктуаций и вве-дением различных характеристик турбулентной вязкости. С практической точки зрения сама по себе энергия турбулентности интереса не представляет. Значение имеют только характеристики осредненного движения.

Прямое численное моделирование используется обычно для учета всех масштабов вихрей. Самый крупный масштаб L определяется размером расчетной области, а самый мелкий - «колмогоровским» масштабом Лк. Для практического применения необходимо определить наиболее эффективный способ расчета уравнений Навье- Стокса.

Отношение масштабов L/Лк определяет средний уровень дискретизации n по одной из координат. В результате оказывается, что n“104. Следует оговориться, что данная оценка носит завышенный характер, поскольку предусматривает простейшие схемы аппроксимации исходных уравнений разностными схемами первого порядка. Если принимать схемы более высокого порядка, можно существенно сократить объемы оперативной памяти и время вычислений. Однако разностные схемы повышенной точности сложны при программировании. Обычно ограничиваются схемами не выше второго по-рядка. Возможности современных компьютеров пока недостаточны для реализации моделей такой размерности, если пытаться решать уравнения без учета физической специфики задачи. Необходимо учесть, что в так называемом инерционном интервале энергии вихревого движения, т.е. для вихрей масштаба много больше Лк, перенос энергии происходит практически без влияния вязкости, путем постепенного разрушения вихрей (каскадный процесс). Инерционный интервал соответствует большим значениям чисел Рейнольдса, причем изменение Рейнольдса в диапазоне больших значений не оказывает существенного влияния на картину распределения скоростей. Поэтому величину критерия Re можно снизить до приемлемых, с точки зрения реализуемости, значений. Погрешность при этом может возникать за счет неправильного учета вихревой струк-туры у твердых границ (стенок). Здесь возможны два подхода: либо использовать переменную вязкость, резко увеличивая ее при приближении к стенке, либо использовать неравномерную разностную схему, резко «сгущая» ее вблизи границ. Последний прием при использовании явных схем численного интегрирования может привести к значительному увеличению времени счета. Кроме того, на границах областей с различными шагами сетки могут появиться дополнительные осцилляции скорости. С другой стороны, при моделировании вязкости и диссипации вблизи стенок так же возникают погрешности, характер которых трудно заранее оценить без привлечения экспериментальных данных.

ЛИТЕРАТУРА

Авдеева Т.П. Воздуховод с продольной щелью. - Изв. высш. учеб. заведений. Строительство, 1996, №4, с. 78 - 80.

Шепелев И.А. Аэродинамика воздушных потоков в помещении. - М.: Стройиздат, 1978.- 145с.

Белоцерковский, О.М. Динамика пространственных вихревых течений в неоднородной атмосфере. Вычислительный эксперимент/ О.М.Белоцерковский, В.А. Андрущенко, Ю.Д Шевелев. - М.: «Янус - К», 2000 - 465с.

УДК 62.697

Количество показов: 938