Star-cd, аэродинамика вентиляции.

В.Ф. Васильев, Д.М. Денисихина, А.В. Зузо, В.И. Полушкин

STAR-CD. АЭРОДИНАМИКА ВЕНТИЛЯЦИИ

Учебное пособие

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ.. 4

2. НАЗНАЧЕНИЕ STAR-CD.. 6

3. СТРУКТУРА STAR-CD.. 8

4. ПРИМЕНЕНИЕ STAR-CD.. 8

4.1. Запуск STAR-CD.. 8

4.2. Выбор рабочего раздела для STAR-CD.. 10

4.3. Использование блока PROSTAR.. 11

5. ОСОБЕННОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ STAR-CD ДЛЯ ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ.. 15

6. ПОДГОТОВКА МОДЕЛИ В PRO-STAR.. 16

6.1. Подготовка. 16

6.2. Создание сетки.. 16

6.3. Создание человека. 17

6.4. Создание компьютера. 22

6.5. Тепловой расчет. 24

6.6.Задание границ.. 27

6.7. Задание свойств среды.. 29

6.8. Задание граничных условий.. 30

6.9. Управление решением задачи.. 32

6.10. Проверка модели.. 32

6.11. Финальные действия. 33

7. ПРОВЕДЕНИЕ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЕТА.. 33

8. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ РАСЧЕТА В PRO-STAR.. 35

8.1. Ввод результатов расчета. 35

8.2. Построение поля температуры.. 35

8.3. Построение поля модуля скорости.. 41

8.4. Построение поля вектора скорости.. 41

ВЫВОДЫ... 50

ПРИЛОЖЕНИЕ.. 51

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

При проектировании систем вентиляции, отопления и кондиционирования воздуха важным является обеспечение как среднеинтегральных значений нормируемых параметров в рабочей зоне, так и отсутствие их локальных отклонений от требуемых значений.

Первого условия добиваются путем составления балансовых уравнений для всего объема в целом (или для небольшого числа выделенных объемов) с последующим определением параметров приточного воздуха.

Однако, задание входящего в уравнения коэффициента эффективности воздухообмена – задача далеко не тривиальная и связана с проблемой достоверного предсказания циркуляции воздуха в объеме помещения. Неверно заданный коэффициент эффективности воздухообмена приведет к существенным погрешностям в проектном решении.

Особенно остро вопрос корректного определения параметров воздушной среды в рабочей зоне встает для течений, формирование которых обусловлено одновременным действием как свободной, так и вынужденной конвекции. Это имеет место для большого числа вентиляционных течений, где сосредоточенная подача воздуха соседствует со свободно-конвективными струями, поднимающимися от человека, оборудования и т.д.

Один из путей решения указанных проблем – использование методов численного решения уравнений Навье-Стокса, осредненных по Рейнольдсу (1). Кроме того, применение данного подхода открывает возможность достоверно предсказать локальные распределения параметров воздушной среды (скорости, температуры, влажности и т.д.) по всему объему помещения.

Уравнение неразрывности:

.

, где t - время, X_i - пространственные координаты, u_i-компоненты вектора скорости, p - пьезометрическое давление, ρ – плотность, τ_ij - компоненты тензора напряжений, s_m - источник массы, s_i компоненты источника импульса.

Тензор напряжений выражается в виде

, где s_ij – компоненты тензора скоростей деформации.

Для получения информации о полях температуры и концентрации вредных веществ система дополняется следующими уравнениями:

Пульсационный член  в предположении гипотезы Буссинеска имеет вид:

, где  - турбулентная вязкость, а дополнительные члены в уравнениях переноса энергии и компоненты примеси моделируются следующим образом:

Замыкание системы уравнений происходит с помощью одной из моделей турбулентности.

О перспективности методов численного моделирования для задач техники вентиляции и кондиционирования воздуха в нашей стране говорили еще в 80-х годах. Однако сложность алгоритмов расчета, проблемы с моделированием турбулентности, отсутствие универсальных кодов и слабая вычислительная техника являлись до недавнего времени непреодолимым препятствием для внедрения данных подходов в повседневную жизнь не только проектировщика, но и исследователя.

Интенсивное использование методов вычислительной гидродинамики началось в 2000 году, когда появились универсальные программные оболочки (CFD-пакеты), дающие возможность отыскания численных решений системы уравнений (1) в отношении интересующего объекта.

При проведении математического моделирования реальное физическое пространство заменяется приближенной моделью – так называемым вычислительным пространством. В случае конечно-объемного представления такое вычислительное пространство представляет собой совокупность элементарных объемов различной формы (тетрайдеры, гексайдеры, призмы и т.д.), в которых выполняются законы сохранения массы, импульса, энергии.

В настоящее время к наиболее известным и интенсивно развиваемым CFD-пакетам мирового класса, как уже отмечалось в Приложении 2, можно отнести ANSYS-CFX, Fluent и STAR-CD.

2. НАЗНАЧЕНИЕ STAR-CD