Razvoj automatskog upravljačkog sustava dovodne i ispušne ventilacije. Suvremeni problemi znanosti i obrazovanja Matematički model ventilacijskih sustava

Glebov R.S., diplomirani student Tumanov M.P., kandidat tehničkih znanosti, izvanredni profesor

Antjušin S.S., diplomirani student (Moskva državni institut Elektronika i matematika (Tehničko sveučilište)

PRAKTIČNI ASPEKTI IDENTIFIKACIJE MATEMATIČKOG MODELA

VENTILACIONA JEDINICA

Zbog pojave novih zahtjeva za ventilacijske sustave, eksperimentalne metode za postavljanje zatvorenih regulacijskih petlji ne mogu u potpunosti riješiti probleme automatizacije tehnološki proces. Eksperimentalne metode ugađanja imaju svojstvene kriterije optimizacije (kriteriji kvalitete kontrole), što ograničava njihov opseg primjene. Parametarska sinteza sustava upravljanja koja uvažava sve zahtjeve projektni zadatak, zahtijeva matematički model objekta. U članku se daje analiza struktura matematičkih modela ventilacijska jedinica, razmatra se metoda za identifikaciju ventilacijske jedinice i procjenjuje se mogućnost korištenja dobivenih modela za praktičnu primjenu.

Ključne riječi: identifikacija, matematički model, ventilacijska jedinica, eksperimentalna studija matematičkog modela, kriteriji kvalitete matematičkog modela.

PRAKTIČNI ASPEKTI IDENTIFIKACIJE MATEMATIČKOG MODELA

INSTALACIJE VENTILACIJE

U vezi s pojavom novih zahtjeva za ventilacijske sustave, eksperimentalne metode podešavanja zatvorenih kontura upravljanja ne mogu u potpunosti riješiti problem automatizacije tehnološkog procesa. Eksperimentalne metode podešavanja imaju postavljene kriterije optimizacije (kriterij kvaliteta upravljanja) što ograničava područje njihove primjene. Parametarska sinteza sustava upravljanja, tehnički projekt uvažavajući sve zahtjeve, zahtijeva matematički model objekta. U članku koji će rezultirati analizom konstrukcija matematičkih modela ventilacijske instalacije, razmatra se način identifikacije ventilacijske instalacije, procjenjuje se mogućnost primjene dobivenih modela za primjenu u praksi.

Ključne riječi: identifikacija, matematički model, ventilacijska instalacija, eksperimentalno istraživanje matematičkog modela, kriteriji kvalitete matematičkog modela.

Uvod

Kontrola ventilacijskih sustava jedan je od glavnih zadataka automatizacije inženjerski sustavi zgrada. Zahtjevi za upravljačke sustave ventilacijskih jedinica formulirani su u obliku kriterija kvalitete u vremenskoj domeni.

Glavni kriteriji kvalitete:

1. Vrijeme prijelaza (tnn) - vrijeme kada ventilacijska jedinica dostigne način rada.

2. Stacionarna pogreška (eust) - najveće dopušteno odstupanje temperature dovodnog zraka od zadane.

Neizravni kriteriji kvalitete:

3. Prekomjerna regulacija (Ah) - prekomjerna potrošnja energije pri upravljanju ventilacijskom jedinicom.

4. Stupanj oscilacije (y) - prekomjerno trošenje ventilacijske opreme.

5. Stupanj prigušenja (y) - karakterizira kvalitetu i brzinu uspostavljanja potrebnog temperaturnog režima.

Glavni zadatak automatizacije ventilacijskog sustava je parametarska sinteza regulatora. Parametarska sinteza sastoji se od određivanja koeficijenata regulatora za osiguravanje kriterija kvalitete ventilacijskog sustava.

Za sintetiziranje regulatora ventilacijske jedinice odabiru se inženjerske metode koje su prikladne za praktičnu upotrebu i ne zahtijevaju proučavanje matematičkog modela objekta: metoda Nocbo18-21g1er(G), CHen-Hnone8-Ke8,wsk(SNK ) metoda. DO moderni sustavi Automatizacija ventilacije podliježe visokim zahtjevima pokazatelja kvalitete, sužavaju se dopušteni granični uvjeti pokazatelja i pojavljuju se višekriterijski kontrolni zadaci. Inženjerske metode za podešavanje regulatora ne dopuštaju promjenu kriterija kvalitete upravljanja ugrađenih u njih. Na primjer, kada se koristi metoda N2 za konfiguraciju regulatora, kriterij kvalitete je dekrement prigušenja jednak četiri, a kada se koristi metoda SNY, kriterij kvalitete je maksimalna brzina uspona u odsutnosti prekoračenja. Korištenje ovih metoda u rješavanju višekriterijskih problema zahtijeva dodatno ručno podešavanje koeficijenata. Vrijeme i kvaliteta postavljanja regulacijskih petlji u ovom slučaju ovisi o iskustvu instalatera.

Primjena modernim sredstvima matematičko modeliranje za sintetiziranje sustava upravljanja za ventilacijsku jedinicu, značajno poboljšava kvalitetu procesa upravljanja, smanjuje vrijeme postavljanja sustava, a također vam omogućuje da sintetizirate algoritamska sredstva za otkrivanje i sprječavanje nesreća. Za modeliranje sustava upravljanja potrebno je izraditi odgovarajući matematički model ventilacijske jedinice (objekta upravljanja).

Praktična uporaba matematičkih modela bez procjene njihove primjerenosti postavlja niz problema:

1. Postavke regulatora dobivene matematičkim modeliranjem ne jamče usklađenost s pokazateljima kvalitete u praksi.

2. Praktična uporaba regulatora s ugrađenim matematičkim modelom (forcing control, Smith ekstrapolator itd.) može uzrokovati pogoršanje pokazatelja kvalitete. Ako vremenska konstanta ne odgovara ili je pojačanje premalo, povećava se vrijeme potrebno da ventilacijska jedinica dođe u način rada; ako je pojačanje previsoko, dolazi do prekomjernog trošenja ventilacijske opreme itd.

3. Praktična primjena adaptivnih regulatora s vrednovanjem na temelju referentnog modela također uzrokuje pogoršanje pokazatelja kvalitete, slično kao u prethodnom primjeru.

4. Postavke regulatora dobivene optimalnim metodama upravljanja ne jamče usklađenost s pokazateljima kvalitete u praksi.

Svrha ovog rada je utvrditi strukturu matematičkog modela ventilacijske jedinice (prema regulacijskoj petlji temperaturni uvjeti) i procjena njegove primjerenosti stvarnim fizikalnim procesima zagrijavanja zraka u ventilacijskim sustavima.

Iskustva u projektiranju sustava upravljanja pokazuju da je nemoguće dobiti matematički model adekvatan realnom sustavu samo na temelju teorijskih istraživanja fizikalnih procesa u sustavu. Stoga su u procesu sinteze modela ventilacijske jedinice, paralelno s teorijskim istraživanjima, provedeni eksperimenti za određivanje i doradu matematičkog modela sustava – njegovu identifikaciju.

Tehnološki proces ventilacijskog sustava, organizacija pokusa

i strukturna identifikacija

Upravljački objekt ventilacijskog sustava je središnji klima uređaj, u kojem se protok zraka obrađuje i dovodi u ventilirane prostorije. Zadatak sustava kontrole lokalne ventilacije je automatsko održavanje temperature dovod zraka u kanalu. Trenutna vrijednost temperature zraka procjenjuje se senzorom instaliranim u dovodnom kanalu ili u servisiranoj prostoriji. Temperatura dovodnog zraka regulira se električnim ili vodenim grijačem. Pri korištenju bojlera izvršno tijelo je trosmjerni ventil, pri korištenju električnog grijača to je pulsni ili tiristorski regulator snage.

Standardni algoritam za regulaciju temperature dovodnog zraka je sustav automatske regulacije zatvorene petlje (CAR), s PID regulatorom kao regulacijskim uređajem. Prikazana je struktura automatiziranog sustava za regulaciju temperature dovodnog zraka ventilacije (slika 1).

Riža. 1. Blok dijagram automatiziranog upravljačkog sustava ventilacijske jedinice (kontrolni kanal temperature dovodnog zraka). Wreg - PF regulatora, Gio - PF izvršnog tijela, Wcal - PF grijača, Wvv - prijenosna funkcija zračnog kanala. u1 - zadana vrijednost temperature, XI - temperatura u kanalu, XI - očitanja senzora, E1 - pogreška regulacije, U1 - upravljačko djelovanje regulatora, U2 - obrada signala regulatora od strane aktuatora, U3 - toplina koju grijač prenosi na kanal.

Sinteza matematičkog modela ventilacijskog sustava pretpostavlja da je poznata struktura svake prijenosne funkcije uključene u njegov sastav. Korištenje matematičkog modela koji sadrži prijenosne funkcije pojedinih elemenata sustava složen je zadatak i ne jamči u praksi superpoziciju pojedinih elemenata s izvornim sustavom. Za identifikaciju matematičkog modela zgodno je strukturu sustava upravljanja ventilacijom podijeliti na dva dijela: apriori poznati (kontrolor) i nepoznat (objekt). Prijenosna funkcija objekta ^ob) uključuje: prijenosnu funkciju izvršnog tijela ^io), prijenosnu funkciju grijača zraka ^cal), prijenosnu funkciju zračnog kanala ^bb), prijenosnu funkciju senzora. ^dat). Zadatak identifikacije ventilacijske jedinice pri upravljanju temperaturom protoka zraka svodi se na određivanje funkcionalnog odnosa između upravljačkog signala prema elementu pokretača grijača U1 i temperature protoka zraka XI.

Za određivanje strukture matematičkog modela ventilacijske jedinice potrebno je provesti identifikacijski eksperiment. Dobivanje traženih karakteristika moguće je pasivnim i aktivnim eksperimentiranjem. Metoda pasivnog eksperimenta temelji se na snimanju kontroliranih parametara procesa u normalnom režimu rada objekta bez unošenja namjernih smetnji u njega. Tijekom faze postavljanja, ventilacijski sustav nije u normalnom načinu rada, tako da metoda pasivnog eksperimenta nije prikladna za naše potrebe. Metoda aktivnog eksperimenta temelji se na korištenju određenih umjetnih poremećaja koji se uvode u objekt prema unaprijed planiranom programu.

Tri su temeljne metode za aktivnu identifikaciju objekta: metoda prijelaznih karakteristika (reakcija objekta na "korak"), metoda perturbiranja objekta periodičkim signalima (reakcija objekta na harmonijske poremećaje različitim frekvencije) i način reakcije objekta na delta puls. Zbog velike inercije ventilacijskih sustava (TOB se kreće od desetaka sekundi do nekoliko minuta), identifikacija perimetralnim signalima

Da biste nastavili čitati ovaj članak, morate kupiti cijeli tekst. Članci se šalju u formatu PDF na e-mail adresu navedenu prilikom plaćanja. Vrijeme isporuke je manje od 10 minuta. Cijena jednog artikla - 150 rubalja.

Slični znanstveni radovi na temu “Opći i složeni problemi prirodnih i egzaktnih znanosti”

ADAPTIVNO UPRAVLJANJE VENTILACIONOM JEDINICOM S DINAMIČKIM PROTOKOM DOSOBNOG ZRAKA
GLEBOV R.S., TUMANOV M.P. - 2012. (prikaz).
Problem upravljanja i modeliranja izvanrednih situacija u rudnicima nafte
Liskova M.Yu., Naumov I.S. - 2013. (prikaz).
O PRIMJENI PARAMETRIJSKE TEORIJE UPRAVLJANJA ZA IZRAČUNLJIVE MODELE OPĆE RAVNOTEŽE
ADILOV ZHEKSENBEK MAKEEVICH, ASHIMOV ABDIKAPPAR ASHIMOVICH, ASHIMOV ASKAR ABDIKAPPAROVICH, BOROVSKY NIKOLAY JURIEVICH, BOROVSKY YURI VYACHESLAVOVICH, SULTANOV BAKHYT TURLYKHANOVICH - 2010.
MODELIRANJE BIOKLIMATSKOG KROVA PRIMJENOM PRIRODNE VENTILACIJE
OUEDRAOGO A., OUEDRAOGO I., PALM K., ZEGHMATI B. - 2008.

U radu se ispituju procesi modeliranja ventilacije i disperzije njezinih emisija u atmosferi. Simulacija se temelji na rješavanju Navier-Stokesovog sustava jednadžbi, zakona održanja mase, količine gibanja i topline. Razmatraju se različiti aspekti numeričkog rješavanja ovih jednadžbi. Predložen je sustav jednadžbi koji omogućuje izračunavanje vrijednosti koeficijenta pozadinske turbulencije. Za hiposoničnu aproksimaciju predloženo je rješenje, zajedno s hidrogasdinamičkim jednadžbama danim u članku, za jednadžbu stajanja idealnog realnog plina i pare. Ova jednadžba je modifikacija van der Waalsove jednadžbe i točnije uzima u obzir veličine molekula plina ili pare i njihovu interakciju. Na temelju uvjeta termodinamičke stabilnosti dobiva se relacija koja omogućuje isključivanje fizički nemogućih korijena pri rješavanju jednadžbe za volumen. Provedena je analiza poznatih računalnih modela i računskih paketa dinamike fluida i plina.

modeliranje

ventilacija

turbulencija

jednadžbe prijenosa topline i mase

jednadžba stanja

pravi plin

rasipanje

1. Berlyand M. E. Suvremena pitanja atmosferske difuzije i onečišćenja zraka. - L.: Gidrometeoizdat, 1975. - 448 str.

2. Belyaev N. N. Modeliranje procesa disperzije toksičnog plina u građevinskim uvjetima // Bilten DIIT-a. - 2009. - br. 26 - str. 83-85.

3. Byzova N. L. Eksperimentalne studije atmosferska difuzija i proračuni disperzije nečistoća / N. L. Byzova, E. K. Garger, V. N. Ivanov. - L.: Gidrometeoizdat, 1985. - 351 str.

4. Datsyuk T. A. Modeliranje disperzije ventilacijskih emisija. - St. Petersburg: SPBGASU, 2000. - 210 str.

5. Sauts A. V. Primjena algoritama kognitivne grafike i metoda matematičke analize za proučavanje termodinamičkih svojstava izobutana R660A na liniji zasićenja: Potpora br. 2C/10: izvješće o istraživanju (konačno) / GOUVPO SPBGASU; ruke Gorokhov V.L., španjolski: Sauts A.V. - St. Petersburg, 2011. - 30 str.: ilustr. - Bibliografija: str. 30.- Br.GR 01201067977.-Inv. Broj 02201158567.

Uvod

Prilikom projektiranja proizvodnih kompleksa i jedinstvenih objekata, pitanja koja se odnose na osiguranje kvalitete zračnog okoliša i normiranih parametara mikroklime moraju biti sveobuhvatno obrazložena. S obzirom na visoke troškove proizvodnje, ugradnje i rada ventilacijskih i klimatizacijskih sustava, postavljaju se povećani zahtjevi za kvalitetu inženjerskih proračuna. Za odabir racionalnog dizajnerska rješenja u području ventilacije potrebno je moći analizirati situaciju u cjelini, tj. prepoznati prostorni odnos dinamičkih procesa koji se odvijaju u zatvorenom prostoru iu atmosferi. Procijenite učinkovitost ventilacije, koja ne ovisi samo o količini zraka koja se dovodi u prostoriju, već io usvojenoj shemi raspodjele i koncentracije zraka štetne tvari u vanjskom zraku na mjestima usisnika zraka.

Svrha članka- korištenje analitičkih ovisnosti, uz pomoć kojih se izračunavaju količine štetnih emisija, određuju dimenzije kanala, zračnih kanala, šahtova i odabir metode obrade zraka i sl. U ovom slučaju, preporučljivo je koristiti softver"Protok" s modulom "VSV". Za pripremu početnih podataka potrebno je imati dijagrame projektiranih ventilacijskih sustava s naznačenim duljinama sekcija i protokom zraka na krajnjim sekcijama. Ulazni podatak za proračun je opis ventilacijskih sustava i zahtjeva za iste. Matematičkim modeliranjem rješavaju se sljedeća pitanja:

izbor optimalnih opcija za dovod i uklanjanje zraka;
raspodjela parametara mikroklime po volumenu prostora;
procjena aerodinamičkog režima razvoja;
izbor mjesta za dovod i odvod zraka.

Polja brzine, tlaka, temperature, koncentracije u prostoriji i atmosferi nastaju pod utjecajem mnogih čimbenika čiju je kombinaciju prilično teško uzeti u obzir u inženjerskim proračunskim metodama bez uporabe računala.

Primjena matematičkog modeliranja u problemima ventilacije i aerodinamike temelji se na rješavanju sustava Navier - Stokesovih jednadžbi.

Za modeliranje turbulentnih strujanja potrebno je riješiti sustav jednadžbi održanja mase i Reynoldsove (očuvanje momenta):

(2)

Gdje t- vrijeme, x= X i , j , k- prostorne koordinate, u=u i , j , k - komponente vektora brzine, R- pijezometrijski tlak, ρ - gustoća, τ i J- komponente tenzora napona, s m- izvor mase, s i- komponente izvora impulsa.

Tenzor napona se izražava kao:

(3)

Gdje s ij- tenzor brzine deformacije; δ i J- tenzor dodatnih naprezanja koji nastaju zbog prisutnosti turbulencije.

Za informacije o temperaturnim poljima T i koncentracija Sštetnih tvari, sustav je dopunjen sljedećim jednadžbama:

jednadžba očuvanja topline

pasivna jednadžba očuvanja primjesa S

(5)

Gdje CR- koeficijent toplinskog kapaciteta, λ - koeficijent toplinske vodljivosti, k= k i , j , k- koeficijent turbulencije.

Osnovni koeficijent turbulencije k baze se određuje pomoću sustava jednadžbi:

(6)

Gdje k f - koeficijent pozadinske turbulencije, k f =1-15 m2/s; ε = 0,1-04;

Koeficijenti turbulencije određuju se pomoću jednadžbi:

(7)

Na otvorenom prostoru s malom disipacijom, vrijednost k z je određen jednadžbom:

k k = k 0 z /z 0 ; (8)

Gdje k 0 - vrijednost k k na visokom z 0 (k 0 = 0,1 m 2 /s at z 0 = 2 m).

Na otvorenom prostoru profil brzine vjetra nije deformiran, tj.

Uz nepoznatu atmosfersku stratifikaciju na otvorenom području, profil brzine vjetra može se odrediti:

; (9)

gdje je z 0 zadana visina (visina vjetrokaze); u 0 - brzina vjetra na visini z 0 ; B = 0,15.

Pod uvjetom (10), lokalnim Richardsonovim kriterijem Ri definirano kao:

(11)

Razlikujmo jednadžbu (9), izjednačimo jednadžbe (7) i (8) i odatle izrazimo k baze

(12)

Izjednačimo jednadžbu (12) s jednadžbama sustava (6). Zamijenimo (11) i (9) u dobivenu jednakost, te u konačnom obliku dobivamo sustav jednadžbi:

(13)

Pojam pulsiranja, slijedeći ideje Boussinesqa, predstavljen je kao:

(14)

gdje je μ t- turbulentna viskoznost i dodatni članovi u jednadžbama prijenosa energije i komponente primjesa modeliraju se kako slijedi:

(15)

(16)

Zatvaranje sustava jednadžbi događa se pomoću jednog od dolje opisanih modela turbulencije.

Za turbulentna strujanja koja se proučavaju u ventilacijskoj praksi, preporučljivo je koristiti ili Boussinesqovu hipotezu o malim promjenama gustoće ili takozvanu "hiposoničnu" aproksimaciju. Pretpostavlja se da su Reynoldsovi naponi proporcionalni vremenski prosječnim brzinama deformacije. Uvodi se koeficijent turbulentne viskoznosti, ovaj koncept se izražava kao:

. (17)

Efektivni koeficijent viskoznosti izračunava se kao zbroj molekularnog i turbulentnog koeficijenta:

(18)

"Hiposonična" aproksimacija uključuje rješavanje, zajedno s gornjim jednadžbama, jednadžbe stanja za idealni plin:

ρ = str/(RT) (19)

Gdje str - pritisak u okoliš; R- plinska konstanta.

Za točnije izračune, gustoća nečistoća može se odrediti pomoću modificirane van der Waalsove jednadžbe za stvarne plinove i pare

(20)

gdje su konstante N I M- uzeti u obzir asocijaciju/disocijaciju molekula plina ili pare; A- uzima u obzir druge interakcije; b" - uzimajući u obzir veličinu molekula plina; υ=1/ρ.

Izolacijski tlak iz jednadžbe (12) R i diferencirajući ga po volumenu (uzimajući u obzir termodinamičku stabilnost) dobivamo sljedeći odnos:

. (21)

Ovaj pristup omogućuje značajno smanjenje vremena izračuna u usporedbi sa slučajem korištenja potpunih jednadžbi za stlačivi plin bez smanjenja točnosti dobivenih rezultata. Ne postoji analitičko rješenje gornjih jednadžbi. U tom smislu koriste se numeričke metode.

Za rješavanje problema ventilacije povezanih s prijenosom skalarnih tvari turbulentnim strujanjem, pri rješavanju diferencijalnih jednadžbi koristi se shema razdvajanja po fizikalnim procesima. Prema principima cijepanja, integracije s konačnim razlikama jednadžbi hidrodinamike i konvektivno-difuznog transporta skalarne tvari u svakom vremenskom koraku Δ t provodi se u dvije faze. U prvoj fazi izračunavaju se hidrodinamički parametri. U drugoj fazi rješavaju se jednadžbe difuzije na temelju izračunatih hidrodinamičkih polja.

Utjecaj prijenosa topline na formiranje polja brzine zraka uzet je u obzir pomoću Boussinesqove aproksimacije: u jednadžbu gibanja za okomitu komponentu brzine uveden je dodatni član, uzimajući u obzir sile uzgona.

Postoje četiri poznata pristupa rješavanju problema turbulentnog gibanja fluida:

izravno modeliranje “DNS” (rješavanje nestacionarnih Navier-Stokesovih jednadžbi);
rješenje usrednjenih Reynoldsovih jednadžbi "RANS", čiji sustav, međutim, nije zatvoren i zahtijeva dodatne zatvarajuće relacije;
metoda velikih vrtloga "LES" » , koji se temelji na rješavanju nestacionarnih Navier-Stokesovih jednadžbi s parametrizacijom vrtloga podmrežne skale;
"DES" metoda , koji je kombinacija dviju metoda: u zoni odvojenih strujanja - “LES”, i u zoni “glatkog” strujanja - “RANS”.

Najatraktivnija metoda sa stajališta točnosti dobivenih rezultata nedvojbeno je metoda izravnog numeričkog modeliranja. Međutim, trenutno mogućnosti računalne tehnologije još ne dopuštaju rješavanje problema sa stvarnom geometrijom i brojevima Ponovno, i s rezolucijom vrtloga svih veličina. Stoga se pri rješavanju širokog spektra inženjerskih problema koriste numerička rješenja Reynoldsovih jednadžbi.

Trenutno se certificirani paketi kao što su STAR-CD, FLUENT ili ANSYS/FLOTRAN uspješno koriste za simulaciju problema ventilacije. S ispravno formuliranim problemom i racionalnim algoritmom rješenja, rezultirajući volumen informacija omogućuje vam odabir u fazi projektiranja najbolja opcija, ali izvođenje izračuna pomoću ovih programa zahtijeva odgovarajuću pripremu, a njihova nepravilna uporaba može dovesti do pogrešnih rezultata.

Kao "osnovni slučaj" možemo uzeti u obzir rezultate općeprihvaćenih metoda izračuna ravnoteže, koje nam omogućuju usporedbu integralnih vrijednosti karakterističnih za problem koji se razmatra.

Jedan od važne točke Pri korištenju univerzalnih softverskih sustava za rješavanje problema ventilacije, izbor je modela turbulencije. Do sada se zna veliki broj različiti modeli turbulencije koji se koriste za zatvaranje Reynoldsovih jednadžbi. Modeli turbulencije klasificirani su prema broju parametara za karakteristike turbulencije, jednoparametarski, dvoparametarski i troparametarski.

Većina polu-empirijskih modela turbulencije, na ovaj ili onaj način, koristi “hipotezu o lokalnosti mehanizma turbulentnog prijenosa”, prema kojoj je mehanizam turbulentnog prijenosa momenta potpuno određen zadavanjem lokalnih derivacija prosječnih brzina i fizička svojstva tekućine. Ova hipoteza ne uzima u obzir utjecaj procesa koji se odvijaju daleko od predmetne točke.

Najjednostavniji su jednoparametarski modeli koji koriste koncept turbulentne viskoznosti “n t“, a pretpostavlja se da je turbulencija izotropna. Modificirana verzija modela "n". t-92" preporučuje se za modeliranje mlaza i odvojenih tokova. Dobro slaganje s eksperimentalnim rezultatima daje i jednoparametarski “S-A” (Spalart - Almaras) model koji sadrži transportnu jednadžbu za količinu .

Nedostatak modela s jednom transportnom jednadžbom je činjenica da im nedostaje informacija o distribuciji skale turbulencije L. Po iznosu L su pod utjecajem transportnih procesa, načina stvaranja turbulencije i disipacije turbulentne energije. Univerzalna ovisnost za definiranje L ne postoji. Jednadžba za skalu turbulencije Lčesto se pokaže da je upravo jednadžba koja određuje točnost modela i, sukladno tome, opseg njegove primjenjivosti. U osnovi, područje primjene ovih modela ograničeno je na relativno jednostavna posmična strujanja.

U dvoparametarskim modelima, osim skale turbulencije L, koristite brzinu disipacije turbulentne energije kao drugi parametar . Takvi se modeli najčešće koriste u suvremenoj računskoj praksi i sadrže jednadžbe za prijenos i disipaciju energije turbulencije.

Dobro poznati model koji uključuje jednadžbe za prijenos turbulentne energije k a brzina disipacije turbulentne energije ε. Modeli poput " k- e" može se koristiti i za strujanja uz zid i za složenija odvojena strujanja.

Modeli s dva parametra koriste se u verzijama s niskim i visokim Reynoldsom. U prvom se izravno uzima u obzir mehanizam interakcije između molekularnog i turbulentnog transporta u blizini čvrste površine. U visoko-Reynoldsovoj verziji, mehanizam turbulentnog transporta u blizini čvrste granice opisuje se posebnim zidnim funkcijama koje povezuju parametre strujanja s udaljenosti do zida.

Trenutačno najperspektivniji modeli uključuju "SSG" i "Gibson-Launder" modele, koji koriste nelinearnu vezu između Reynoldsovog turbulentnog tenzora naprezanja i tenzora prosječne brzine deformacije. Razvijeni su za poboljšanje predviđanja odvojenih tokova. Budući da izračunavaju sve komponente tenzora, zahtijevaju više računalnih resursa u usporedbi s modelima s dva parametra.

Za složene odvojene tokove, neke su prednosti otkrivene korištenjem jednoparametarskih modela “n t-92", "S-A" u smislu točnosti predviđanja parametara protoka i brzine brojanja u usporedbi s dvoparametarskim modelima.

Na primjer, program "STAR-CD" omogućuje korištenje modela poput " k- e", Spalart - Almaras, "SSG", "Gibson-Launder", kao i metoda velikih vrtloga "LES", te metoda "DES". Posljednje dvije metode su prikladnije za izračunavanje kretanja zraka u složenim geometrijama gdje će se pojaviti brojna odvojena vrtložna područja, ali zahtijevaju velike računalne resurse.

Rezultati proračuna značajno ovise o izboru računske mreže. Trenutno se za izradu mreža koriste posebni programi. Mrežne ćelije mogu imati različite oblike i veličine, najprikladnije za rješavanje određenog problema. Najjednostavnija vrsta mreže je kada su ćelije identične i imaju kubični ili pravokutni oblik. Univerzalni računalni programi koji se sada koriste u inženjerskoj praksi omogućuju rad na proizvoljnim nestrukturiranim mrežama.

Za izvođenje proračuna numeričke simulacije za probleme ventilacije, potrebno je odrediti granične i početne uvjete, tj. vrijednosti zavisnih varijabli ili njihovih normalnih gradijenata na granicama računske domene.

Specificiranje s dovoljnim stupnjem točnosti geometrijskih značajki predmeta koji se proučava. U ove svrhe možemo preporučiti pakete kao što su “SolidWorks”, “Pro/Engeneer”, “NX Nastran” za izradu trodimenzionalnih modela. Prilikom konstruiranja računske mreže broj ćelija odabire se tako da se dobije pouzdano rješenje uz minimalno vrijeme izračuna. Treba odabrati jedan od poluempirijskih modela turbulencije koji je najučinkovitiji za razmatrano strujanje.

U zaključak Dodajmo da je potrebno dobro razumijevanje kvalitativne strane procesa koji se odvijaju kako bi se pravilno formulirali rubni uvjeti problema i procijenila pouzdanost rezultata. Modeliranje ventilacijskih emisija u fazi projektiranja objekata može se smatrati jednim od aspekata informacijskog modeliranja usmjerenog na osiguranje ekološke sigurnosti objekta.

Recenzenti:

Volikov Anatolij Nikolajevič, doktor tehničkih znanosti, profesor Katedre za opskrbu toplinom i plinom i zaštitu zraka, Savezna državna proračunska obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja "SPBGASU", Sankt Peterburg.
Poluškin Vitalij Ivanovič, doktor tehničkih znanosti, profesor, profesor Katedre za grijanje, ventilaciju i klimatizaciju, Savezna državna proračunska obrazovna ustanova visokog stručnog obrazovanja "SPbGASU", Sankt Peterburg.

Bibliografska poveznica

Datsyuk T.A., Sauts A.V., Yurmanov B.N., Taurit V.R. MODELIRANJE PROCESA VENTILACIJE // Suvremeni problemi znanosti i obrazovanja. – 2012. – br. 5.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=6744 (datum pristupa: 17.10.2019.). Predstavljamo vam časopise izdavačke kuće "Akademija prirodnih znanosti"

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja jednostavno je. Koristite obrazac u nastavku

Studenti, diplomanti, mladi znanstvenici koji koriste bazu znanja u svom studiju i radu bit će vam vrlo zahvalni.

Slični dokumenti

Osnove rada sustava automatska kontrola dovodna i ispušna ventilacija, njezina konstrukcija i matematički opis. Oprema za tehnološke procese. Izbor i proračun regulatora. Proučavanje stabilnosti ATS-a, pokazatelji njegove kvalitete.

kolegij, dodan 16.02.2011

opće karakteristike i namjena, područja praktične primjene sustava automatskog upravljanja dovodnom i ispušnom ventilacijom. Automatizacija regulatornog procesa, njegova načela i faze provedbe. Odabir sredstava i njihova ekonomska opravdanost.

diplomski rad, dodan 04.10.2011

Analiza postojećeg standardne sheme automatizacija ventilacije proizvodnih radionica. Matematički model proces ventilacije proizvodni prostori, izbor i opis alata i kontrola za automatizaciju. Izračun troškova projekta automatizacije.

diplomski rad, dodan 06.11.2012

Komparativna analiza tehničke karakteristike tipične izvedbe rashladnih tornjeva. Elementi vodoopskrbnih sustava i njihova klasifikacija. Matematički model procesa opskrbe reciklažnom vodom, izbor i opis opreme za automatizaciju i upravljanja.

diplomski rad, dodan 04.09.2013

Opće karakteristike naftovoda. Klimatske i geološke karakteristike nalazišta. Generalni plan crpne stanice. Glavne crpne stanice i rezervoarska farma PS-3 "Almetjevsk". Proračun dovodnog i ispušnog ventilacijskog sustava crpne trgovine.

diplomski rad, dodan 17.04.2013

Analiza razvoja dizajnerskog projekta za ukrasnu trsku. Heraldika kao posebna disciplina koja se bavi proučavanjem grbova. Metode izrade opreme za voštane modele. Faze proračuna dovodne i ispušne ventilacije za odjel za taljenje.

diplomski rad, dodan 26.01.2013

Opis instalacije kao objekta automatizacije, mogućnosti poboljšanja tehnološkog procesa. Proračun i izbor elemenata kompleksa tehničkih sredstava. Proračun sustava automatskog upravljanja. Razvoj aplikacijskog softvera.

diplomski rad, dodan 24.11.2014

Darija Denisihina, Marija Lukanina, Mihail Samoletov

U moderni svijet Pri projektiranju ventilacijskih sustava više nije moguće bez matematičkog modeliranja strujanja zraka.

U suvremenom svijetu više nije moguće bez matematičkog modeliranja strujanja zraka pri projektiranju ventilacijskih sustava. Konvencionalne inženjerske tehnike dobro funkcioniraju za tipične prostore i standardna rješenja distribucijom zraka. Kada se dizajner susreće s nestandardnim objektima, metode matematičkog modeliranja trebaju mu priskočiti u pomoć. Članak je posvećen proučavanju distribucije zraka tijekom hladne sezone u radionici za proizvodnju cijevi. Ova radionica je dio tvorničkog kompleksa smještenog u oštro kontinentalnoj klimi.

Još u 19. stoljeću dobiveni su diferencijalne jednadžbe opisati strujanje tekućina i plinova. Formulirali su ih francuski fizičar Louis Navier i britanski matematičar George Stokes. Navier-Stokesove jednadžbe su među najvažnijima u hidrodinamici i koriste se u matematičkom modeliranju mnogih prirodnih pojava i tehničkih problema.

Iza posljednjih godina nakupila se velika raznolikost geometrijski i termodinamički složenih objekata u građevinarstvu. Korištenje metoda računalne dinamike fluida značajno povećava mogućnosti projektiranja ventilacijskih sustava, omogućujući s visokim stupnjem točnosti predviđanje distribucije brzine, tlaka, temperature i koncentracije komponenata u bilo kojoj točki u zgradi ili bilo kojoj njezinoj sobe.

Intenzivna uporaba metoda računalne dinamike fluida započela je 2000. godine, kada su se pojavile univerzalne programske ljuske (CFD paketi) koje su omogućile pronalaženje numeričkih rješenja sustava Navier-Stokesovih jednadžbi u odnosu na predmet interesa. Otprilike od tog vremena, BUREAU TECHNIKI se bavi matematičkim modeliranjem u vezi s problemima ventilacije i klimatizacije.

Opis zadatka

U ovoj studiji, numeričke simulacije su provedene pomoću STAR-CCM+, CFD paketa koji je razvio CD-Adapco. Izvođenje ovog paketa pri rješavanju problema ventilacije bio je
testiran je mnogo puta na objektima različite složenosti, od uredskih prostorija do kazališta i stadiona.

Problem je od velikog interesa sa stajališta dizajna i matematičkog modeliranja.

Vanjska temperatura -31 °C. U prostoriji se nalaze objekti sa značajnim toplinskim unosom: peć za kaljenje, peć za kaljenje itd. Dakle, postoje velike temperaturne razlike između vanjskih ogradnih konstrukcija i unutarnjih objekata koji stvaraju toplinu. Stoga se u modeliranju ne može zanemariti doprinos prijenosa topline zračenjem. Dodatna složenost u matematičkoj formulaciji problema je što se nekoliko puta po smjeni u prostoriju dovodi teški vlak s temperaturom od -31 °C. Postupno se zagrijava, hladeći zrak oko sebe.

Za održavanje potrebne temperature zraka u radionici (u hladnoj sezoni, ne niže od 15 ° C), projektom su predviđeni sustavi ventilacije i klimatizacije. U fazi projektiranja izračunati su protok i temperatura dovedenog zraka potrebni za održavanje potrebnih parametara. Ostalo je pitanje kako dopremiti zrak u prostor radionice kako bi se osigurala što ravnomjernija raspodjela temperature po cijelom volumenu. Modeliranje je omogućilo da se u relativno kratkom roku (dva do tri tjedna) vidi slika protoka zraka za nekoliko opcija dovoda zraka, a zatim ih usporedi.

FAZE MATEMATIČKOG MODELIRANJA

Konstrukcija čvrste geometrije.
Podjela radnog prostora na ćelije računske mreže. Treba unaprijed predvidjeti područja gdje će biti potrebno dodatno drobljenje stanica. Prilikom konstruiranja mreže vrlo je važno pronaći zlatnu sredinu pri kojoj će veličina ćelije biti dovoljno mala da se dobije točne rezultate, pri čemu ukupnoćelije neće biti toliko velike da odgađaju vrijeme izračuna do neprihvatljivih vremena. Stoga je konstruiranje mreže umjetnost koja dolazi s iskustvom.
Postavljanje rubnih i početnih uvjeta u skladu s postavkom problema. Potrebno je razumijevanje specifičnosti zadataka ventilacije. Igra glavnu ulogu u pripremi izračuna pravi izbor modeli turbulencije.
Odabir prikladnih fizikalnih i turbulentnih modela.

Rezultati simulacije

Za rješavanje problema koji se razmatra u ovom članku dovršene su sve faze matematičkog modeliranja.

Za usporedbu učinkovitosti ventilacije odabrane su tri opcije dovoda zraka: pod kutovima prema vertikali od 45°, 60° i 90°. Dovod zraka je izveden iz standardnih rešetki za distribuciju zraka.

Polja temperature i brzine dobivena kao rezultat proračuna pri različitim kutovima dovoda zraka prikazana su na slici. 1.

Nakon analize rezultata, kut dovoda zraka od 90° odabran je kao najuspješniji od razmatranih opcija ventilacije radionice. Ovom metodom hranjenja ne stvaraju se povećane brzine radno područje te je moguće postići prilično ujednačenu temperaturu i uzorak brzine kroz cijeli volumen radionice.

Konačna odluka

Polja temperature i brzine u tri poprečna presjeka koja prolaze kroz dovodne rešetke prikazana su na sl. 2 i 3. Raspodjela temperature po prostoriji je jednolika. Samo u području gdje su koncentrirane peći ih je više visoke vrijednosti temperatura stropa. U desnom kutu prostorije najudaljenijem od peći nalazi se hladniji dio. Ovo je mjesto gdje ulaze hladnjače s ulice.

Od sl. 3 možete jasno vidjeti kako se horizontalni mlazovi dovedenog zraka šire. S ovom metodom opskrbe, dovodni mlaz ima prilično velik raspon. Tako je na udaljenosti od 30 m od mreže brzina protoka 0,5 m/s (na izlazu iz mreže brzina je 5,5 m/s). U ostatku prostorije pokretljivost zraka je mala, 0,3 m/s.

Zagrijani zrak iz peći za kaljenje skreće struju dovodnog zraka prema gore (sl. 4 i 5). Peć vrlo snažno zagrijava zrak oko sebe. Temperatura u blizini poda ovdje je viša nego u srednjem dijelu prostorije.

Temperaturno polje i strujnice u dva dijela vruće radnje prikazani su na sl. 6.

zaključke

Izračuni su omogućili analizu učinkovitosti na razne načine dovod zraka u radionici za proizvodnju cijevi. Utvrđeno je da se dovod zraka s vodoravnim mlazom širi dalje u prostoriju, pridonoseći njegovom ravnomjernijem zagrijavanju. U tom slučaju u radnom području nema područja s previše pokretljivosti zraka, kao što se događa pri dovodu dovodnog zraka pod kutom prema dolje.

Korištenje metoda matematičkog modeliranja u problemima ventilacije i klimatizacije vrlo je obećavajući smjer, koji omogućuje prilagodbu rješenja u fazi projekta i sprječava potrebu ispravljanja neuspješnih projektnih rješenja nakon puštanja objekata u rad. ●

Darija Denisihina - Voditelj Odjela za matematičko modeliranje;
Marija Lukanina - Vodeći inženjer Odjela za matematičko modeliranje;
Mihail Samoletov - Izvršni direktor MM-Technologies LLC

Predviđanje toplinski režim u servisiranim područjima je višefaktorski zadatak. Poznato je da se toplinski režim stvara pomoću sustava grijanja, ventilacije i klimatizacije. Međutim, pri projektiranju sustava grijanja ne uzima se u obzir utjecaj protoka zraka koji stvaraju drugi sustavi. To je djelomično zbog činjenice da utjecaj strujanja zraka na toplinski režim može biti beznačajan s obzirom na standardnu pokretljivost zraka u servisiranim područjima.

Primjena sustava grijanje zračenjem zahtijeva nove pristupe. To uključuje potrebu za usklađivanjem sa standardima izloženosti ljudi na radnom mjestu i uzimanje u obzir distribucije topline zračenja preko unutarnjih površina zatvorenih struktura. Doista, kod grijanja zračenjem te se površine pretežno zagrijavaju, a one konvekcijom i zračenjem otpuštaju toplinu u prostoriju. Zbog toga se održava potrebna unutarnja temperatura zraka.

U pravilu, za većinu vrsta prostorija, uz sustave grijanja, potrebni su sustavi ventilacije. Stoga, kada se koriste plinski sustavi grijanja, prostorija mora biti opremljena ventilacijskim sustavima. Minimalna izmjena zraka u prostorijama s ispuštanjem štetnih plinova i para propisana je SP 60.13330.12. Grijanje, ventilacija i klimatizacija je najmanje jednom, a na visini većoj od 6 m - najmanje 6 m 3 po 1 m 2 podne površine. Osim toga, učinak ventilacijskih sustava također je određen namjenom prostora i izračunava se iz uvjeta asimilacije topline ili emisije plinova ili kompenzacije lokalnog usisavanja. Naravno, potrebno je provjeriti i količinu izmjene zraka za stanje asimilacije produkata izgaranja. Kompenzacija volumena uklonjenog zraka provodi se sustavima opskrbna ventilacija. U ovom slučaju, značajnu ulogu u formiranju toplinskog režima u servisiranim područjima imaju dovodni mlaznice i toplina koju unose.

Metoda i rezultati istraživanja

Stoga postoji potreba za razvojem približnog matematičkog modela složenih procesa prijenosa topline i mase koji se odvijaju u prostoriji pod grijanjem zračenjem i ventilacijom. Matematički model je sustav jednadžbi ravnoteže zraka i topline za karakteristične volumene i površine prostorije.

Sustavno rješenje omogućuje određivanje parametara zraka u servisiranim područjima kada razne opcije postavljanje uređaja za grijanje zračenjem uzimajući u obzir utjecaj ventilacijskih sustava.

Razmotrimo konstrukciju matematičkog modela na primjeru proizvodnog pogona koji je opremljen sustavom grijanja zračenjem i nema drugih izvora topline. Tokovi topline iz emitera raspoređeni su na sljedeći način. Konvektivne struje dižu se u gornju zonu ispod stropa i prenose toplinu na unutarnju površinu. Zračeća komponenta toplinskog toka emitera percipira se unutarnjim površinama vanjskih ograđujućih konstrukcija prostorije. Zauzvrat, te površine odaju toplinu konvekcijom prema unutarnjem zraku i zračenjem prema drugim unutarnjim površinama. Dio topline prenosi se kroz vanjske ograde u vanjski zrak. Dijagram proračuna prijenosa topline prikazan je na sl. 1a.

Razmotrimo konstrukciju matematičkog modela na primjeru proizvodnog pogona koji je opremljen sustavom grijanja zračenjem i nema drugih izvora topline. Konvektivne struje dižu se u gornju zonu ispod stropa i prenose toplinu na unutarnju površinu. Komponentu zračenja toplinskog toka emitera percipiraju unutarnje površine vanjskih ograđujućih konstrukcija prostorije

Zatim ćemo razmotriti konstrukciju dijagrama cirkulacije zraka (slika 1b). Usvojimo "dopunu" razmjene zraka. Zrak se isporučuje u količini M u smjeru servisirane zone i uklanja se iz gornje zone s protokom M u = M itd. Na razini vrha servisiranog područja, brzina strujanja zraka u struji je M p. Povećanje protoka zraka u dovodnoj struji događa se zbog cirkulirajućeg zraka koji je odvojen od struje.

Uvedimo uvjetne granice strujanja - površine na kojima brzine imaju samo normalne komponente na njih. Na sl. Na slici 1b, granice protoka prikazane su isprekidanom linijom. Zatim izdvajamo izračunate količine: uslužno područje (prostor sa stalnom prisutnošću ljudi); volumeni dovodnog mlaza i zidnih konvektivnih strujanja. Smjer zidnih konvektivnih strujanja ovisi o omjeru temperatura unutarnje površine vanjskih ogradnih konstrukcija i okolnog zraka. Na sl. Slika 1b prikazuje dijagram s konvektivnim strujanjem silaznog zida.

Dakle, temperatura zraka u servisnom području t wz nastaje kao rezultat miješanja zraka iz dovodnih mlaznica, zidnih konvektivnih strujanja i konvektivnog unosa topline iz unutarnje površine poda i zidova.

Uzimajući u obzir razvijene sheme izmjene topline i cirkulacije zraka (slika 1), izradit ćemo jednadžbe ravnoteže topline i zraka za dodijeljene volumene:

Ovdje S— toplinski kapacitet zraka, J/(kg °C); Q od je snaga plinskog sustava grijanja, W; Q s i Q* c - konvektivni prijenos topline s unutarnjih površina zida unutar servisiranog prostora i zida iznad servisiranog prostora, W; t stranica, t c i t wz — temperature zraka u dovodnoj struji na ulazu u radno područje, u zidnom konvektivnom strujanju iu radnom području, °C; Q tp - toplinski gubitak prostorije, W, jednaka iznosu gubitak topline kroz vanjske ograde:

Protok zraka u dovodnoj struji na ulazu u servisni prostor izračunava se pomoću ovisnosti koje je dobio M. I. Grimitlin.

Na primjer, za razdjelnike zraka koji stvaraju kompaktne mlaznice, protok u mlazu je jednak:

Gdje m— koeficijent prigušenja brzine; F 0 - površina poprečnog presjeka ulazne cijevi razdjelnika zraka, m 2; x— udaljenost od razdjelnika zraka do ulaza u servisirano područje, m; DO n je neizotermni koeficijent.

Protok zraka u konvektivnom strujanju uz zid određen je:

Gdje t c je temperatura unutarnje površine vanjskih zidova, °C.

Jednadžbe toplinska ravnoteža za rubne površine imaju oblik:

Ovdje Q c , Q*c, Q pl i Q pt - konvekcijski prijenos topline s unutarnjih površina zida unutar servisiranog prostora - zidovi iznad servisiranog prostora, poda i obloge; Q tp.s, Q* tp.s, Q tp.pl, Q tp.pt - gubitak topline kroz odgovarajuće strukture; W S, W*c, W pl, W pt - toplinski tokovi zračenja iz emitera koji dolaze na te površine. Konvekcijski prijenos topline određen je poznatom ovisnošću:

Gdje m J je koeficijent određen uzimajući u obzir položaj površine i smjer protoka topline; F J—površina, m2; Δ t J je temperaturna razlika između površine i okolnog zraka, °C; J— indeks vrste površine.

Gubitak topline Q tJ se može izraziti kao

Gdje t n — temperatura vanjskog zraka, °C; t J—temperatura unutarnjih površina vanjskih zaštitnih konstrukcija, °C; R I R n - toplinski otpor i prolaz topline vanjske ograde, m 2 °C/W.

Dobiven je matematički model procesa prijenosa topline i mase pod kombiniranim djelovanjem grijanja zračenjem i ventilacije. Rezultati rješenja omogućuju dobivanje glavnih karakteristika toplinskog režima pri projektiranju sustava grijanja zračenjem za zgrade različite namjene opremljene ventilacijskim sustavima

Zračenje topline teče iz emitera zračećih sustava grijanja Wj izračunavaju se kroz međusobna područja zračenja metodom proizvoljne orijentacije emitera i okolnih površina:

Gdje S 0 je emisivnost apsolutno crnog tijela, W/(m 2 K 4); ε IJ - smanjeni stupanj emisivnosti površina koje sudjeluju u izmjeni topline ja I J; H IJ - područje međusobnog zračenja površina ja I J, m2; T ja— Prosječna temperatura površina zračenja, određena iz toplinske bilance emitera, K; T J je temperatura površine koja prima toplinu, K.

Zamjenom izraza za toplinske tokove i brzine strujanja zraka u mlazovima dobivamo sustav jednadžbi koje su približni matematički model procesa prijenosa topline i mase tijekom grijanja zračenjem. Za rješavanje sustava mogu se koristiti standardni računalni programi.