Диссертация (Повышение эффективности работы системы естественной вентиляции при формировании теплового движения воздуха), страница 9

В Ansys Fluentискомые величины определяются решением уравнений методом конечныхобъемов, способ хранения данных – центрированный поячейкам (cell-centered).5.Составлен алгоритм расчета систем вентиляции с тепловымпобуждением движения воздуха, с учетом разработанной модели для анализакачественной структуры свободноконвективных потоков воздуха на основепрограммного комплекса Ansys Fluent.64ГЛАВА 3.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕСВОБОДНОЙ КОНВЕКЦИИ В СИСТЕМЕ ВЕНТИЛЯЦИИ СТЕПЛОВЫМ ПОБУЖДЕНИЕМ.В случаях решения внутренней задачи свободной конвекции, течения,возникающие вблизи твердых поверхностей, взаимодействуют с воздушнымипотоками внутренней области, охватываемые пограничными слоями настенках [79]. Характер течения зависит, прежде всего, от местной подъемнойсилы, которая в свою очередь определяется наличием градиента плотности,вызваннымнеоднородностьютемпературы.Всвязисданнымиособенностями, внутренние задачи свободной конвекции исследовались взначительно меньшей степени по сравнению с внешними течениями.Естественная конвекция, возникающая в замкнутых и незамкнутыхобластяххарактернадлямногихтехническихприложений:припроектировании буровых скважин [8], аппаратов воздушного охлаждения вхимической [80], нефтяной и газовой промышленности [81], солнечныхколлекторов и систем охлаждения ядерных ректоров [82], воздушныхпрослоек в строительных конструкциях [12, 13] и т.д.3.1 Сравнение различных способов теплового побуждениядвижения воздуха в системе вентиляции.3.1.1 Нагрев нижней части вентиляционного канала.Нагрев нижней части вентиляционных каналов является самымпростым способом теплового побуждения естественной вентиляции, так какего можно осуществить путем размещения нагревательного элемента сразупосле вытяжной решетки (Таблица 4, п.

1, Рисунок 28).65Рисунок 28 – Схема системы вентиляции с тепловым побуждениемдвижения воздуха с нагревом нижней части вентиляционного каналаВ тонком горизонтальном слое, условная температура на границахкоторого отлична, наличие градиента плотностив вертикальномнаправлении обусловлено исключительно различием температур в разныхточкахслоя,чтоподтверждаетвозможностьприменениялинейнойаппроксимации (2.2). Так как среднее значение градиента температурtt2  t1 0 (Рисунок 29), подобная схема теплового побуждения являетсяbпотенциально нестабильной [83], что говорит о наличии постоянныхвозмущений, которые зависят от неустойчивой стратификации воздушныхпотоков, а так же влияния силы вязкого трения.Рисунок 29 – Схема горизонтального слоя жидкости с температурнойстратификацией66При выполнении условияb<< 1 рассматриваемая задача представляетlсобой задачу Бенара – Рэлея – исследование конвекции в горизонтальномслое, подогреваемом снизу, в основе которого лежит решение системыуравнений Обербека – Буссинеска (2.1), со следующими граничнымиусловиями [84]:1.Условные температуры на верхней и нижней поверхностяхпостоянны на протяжении всего процесса теплообмена (граничное условиепервого рода):T 1  T1  const(3.1)T 2  T2  T1  T  const2.(3.2)Скорость движения потока воздуха на нижней поверхностиканала равна нулю (условие прилипания):v1  0(3.3)3.Для верхней границы канала вводятся условия обращения в нульвертикальной компоненты скорости и тангенциальных напряжений:vx  0(3.4)z y0x xОсобенностьюсвободнойконвекции(3.5)вгоризонтальномслое,подогреваемом снизу, является формирование систем конвективных ячеек –элементовпространственно-периодическойструктурытечения,навертикальных границах которых горизонтальная составляющая скоростиравна нулю [84].

В зависимости от физических, геометрических и граничныхусловий в горизонтальном слое могут образовываться структуры различнойконфигурации (планформы): двумерные валы, шестиугольные и квадратныеячейки (Рисунок 30).67Рисунок 30 – Схемы конвективных ячеек: а) двумерные валы,возникающие в прямоугольных областях; б) шестиугольные ячейки l и gтипа; в) шестиугольные ячейки, возникающие в прямоугольных областяхУстойчивостьформирующихсявихревыхтеченийзависитоткритического числа Рэлея Rac , которое обуславливается типом граничныхусловий рассматриваемой задачи.

При сочетании жесткой и свободнойграницы критическое число Рэлея равно Rac  1100,657 , для двух жесткихграниц - Rac  1707,762 [83].В представленном случае Ra >> Rac , валиковая конвекция становитсянеустойчивой, происходит развитие двухмодового течения, направленногопонаправлениюдвижениявытяжноговоздуха,поступающеговвентиляционный канал. В центральной части горизонтального воздуховодаобразуется плоский конвективный поток, имеющий одинаковый характертечения в каждой вертикальной плоскости, проведенной перпендикулярнодлинной стороне теплового источника.Впограничныхслояхвблизибоковойстенкиформируютсяоднонаправленные валы (область а, Рисунок 31), которые выстраиваютсяперпендикулярно ей и исходным течениям, преимущественно в углах, ближек центру горизонтальной поверхности.68Рисунок 31 – Схема движения потоков воздуха в вентиляционном канале принижнем нагреве: 1 – наклонные параллельные однонаправленный валы; 2 –обратные теченияЗначительное влияние на формирование конвективных течений,возникающих при нагреве горизонтального участка, оказывают краевыепотоки воздуха на входе в вентиляционный канал (область б, Рисунок 31).

Вданном случае влияние боковых стенок на формирование валиковыхструктур в значительной степени ослабляется (особенно в местах подтокаболее холодных воздушных масс) за счет того, что верхняя поверхностьявляется свободной «буферной зоной», в которой происходит развитиесложных трехмерных структур, которые легко стыкуются с валамиразличнойориентации[84].Врассматриваемомслучаесистемыпараллельных однонаправленных валов могут быть расположены подразличными углами к стенкам, в зависимости от расчетной разноститемператур  , С .

Применение нагрева нижней части вентиляционногоканала является малоэффективным, что связано с формированием обратныхтечений потоков воздуха, возникающих в вертикальном участке спутника ивентиляционном отводе (область в, Рисунок 31).На последней части горизонтального участка канала наблюдаетсясначала небольшое снижение, а затем увеличение осевой скорости за счетизменениянаправлениядвижениявентиляционным отводом (Рисунок 32).воздушныхпотоковперед69Рисунок 32 – График изменения осевой скорости потока (Vo , м/с) подлине горизонтального участка канала ( l , мм) при различной расчетнойразности температур ( ,  С) (нижний нагрев вентиляционного канала)Приосуществлениидополнительногонагреванижнейчастивентиляционного отвода (Таблица 4, п.

2, Рисунок 33), движение воздуха вканале начинает происходить более интенсивно, что позволяет снизитьколичество застойных зон и обратных течений.Рисунок 33 – Схема системы вентиляции с тепловым побуждениемдвижения воздуха с нагревом нижней части вытяжного канала совместно сотводомРазвитиеконвективныхтеченийунагретойкриволинейнойповерхности вентиляционного отвода происходит аналогично свободнойконвекции у наклонной плиты. Характер движения потоков воздуха зависит70от угла наклона рассматриваемой плоскости – чем меньше угол, тем меньшевихревая составляющая конвективного течения (Рисунок 34) [85].Рисунок 34 - Схема движения воздушных потоков воздуха у нагретойплиты: а) при угле наклона 30˚; б) при угле наклона 60˚; в) при угле наклона90˚Из-заувеличенияскоростидвижениявоздухавканалепридополнительном нагреве нижней части отвода, образование параллельныхвалов в пограничном слое не происходит.Кроме того, заметно снижение влияния местного сопротивления отводана движение воздуха в горизонтальном участке вентиляционного канала, чтовидно на графике осевой скорости, представленном на Рисунке 35.

В отличиеот предыдущего случая (Рисунок 32), в последней части участка скоростьболее равномерна.71Рисунок 35 – График изменения осевой скорости потока (Vo , м/с) подлине горизонтального участка канала ( l , мм) при различной расчетнойразности температур ( ,  С) (нижний нагрев вентиляционного каналасовместно с отводом)3.1.2 Горизонтальный нагрев вентиляционного канала.В рассматриваемом случае осуществляется нагрев горизонтальноговоздуховода вентиляционного спутника, при этом остальные стенкисчитаются адиабатными (Таблица 4, п.

3, Рисунок 36).Рисунок 36 – Схема системы вентиляции с тепловым побуждениемдвижения воздуха с горизонтальным нагревом вытяжного канала72Восходящие конвективные течения, формирующиеся в пограничномслое при нагреве боковых стенок, отклоняют направление основного потокавытяжного воздуха, поступающего в вентиляционный канал, что особеннозаметно в центре нижней и верхней части горизонтального участка, вблизивнутренних углов (области а и б, Рисунок 37).Рисунок 37 – Схема движения потоков воздуха при горизонтальномнагреве вентиляционного каналаДвижение потоков воздуха в криволинейном канале имеет сложныйхарактер. При горизонтальном нагреве вентиляционного спутника, на входе ввертикальный участок, происходит увеличение толщины пограничного слоя,при этом в нем возникает возвратное течение, что влечет за собой выноспотока, заторможенный в пограничном слое во внешнее течение, вследствиечего последнее оттесняется стенки (область а, Рисунок 38).Рисунок 38 – Движение потоков воздуха в вентиляционном отводеОтрыв пограничного слоя обуславливает образование вихрей изастойных зон, заполненных массами воздуха, не участвующими в общем73движении потока [86].