Аннотация

Разработана модель цеха окорки и рубки древесины целлюлозно-бумажного производства. Для расчета была выбрана система общеобменной вентиляции. Рассмотрен вариант использования различных типов воздухораспределительных устройств для выполнения требования по воздухообмену и скоростным параметрам воздуха в рабочей зоне помещения.

Ключевые слова: вентиляция, воздухообмен, математическое моделирование, SolidWorks, Flow Simulation.

Введение

Системы вентиляции являются неотъемлемой частью внутренних инженерных систем зданий различного назначения и используются для обеспечения требуемых параметров микроклимата помещений. Целлюлозно-бумажное производство относится к зданиям производственного типа, в которых обеспечение нормативных параметров внутреннего воздуха является важным фактором, влияющим не только на оптимальные показатели рабочей зоны, но и обеспечивающим допустимые показатели температуры, влажности и скорости воздушных потоков, создающих подходящие условия для производственных и технологических процессов. Именно поэтому проектирование данных зданий, в частности систем вентиляции, это сложный процесс, который сопровождается внушительным количеством расчетов, требующих не только теоретических знаний физики процессов, но и подкрепления с практической точки зрения. В данной статье рассмотрен вариант создания математической модели на основе программного обеспечения SolidWorks с использованием модуля Flow Simulation для визуализации работы системы общеобменной вентиляции.

Цель

Целью данной работы является демонстрация возможностей программы в сфере проектирования систем вентиляции с последующей обработкой полученных данных и корректировкой проекта по итоговым результатам анализа.

Задачи

1. Сбор исходных данных;
2. Проектирование системы вентиляции по заданным параметрам;
3. Моделирование цеха окорки и рубки древесины и общеобменной системы вентиляции;
4. Анализ полученных данных и корректировка проекта.

Актуальность

Актуальность статьи связана со сложностью проектирования внутренних инженерных систем. Проектирование подразумевает под собой расчет, но это дает только общее понимание работы системы. Подтвердить правильность расчетов представляется возможным только в пределах самой системы воздуховодов и на небольшом расстоянии от воздухораспределительных устройств, что сильно ограничивает представление о воздухообмене в объеме цеха и не дает полной картины происходящего в рабочей зоне.

Методология

Для исследования использовался программный комплекс SolidWorks в совокупности со встроенным модулем Flow Simulation для возможности моделирования аэродинамических процессов.

Базовый этап моделирования

Для моделирования производственного цеха использовался набор встроенных инструментов SolidWorks. Объем цеха с технологическим оборудованием и система вентиляции выполнены отдельными деталями для ускорения процесса сборки итоговой модели. Для исследования воздухообмена и течения воздушных масс были использованы два типа воздухораспределителей:

1. Решетки с наклонными жалюзи горизонтального типа (рисунок 1.1);
2. Низкоскоростные распределители напольного типа (рисунок 1.2).


Рисунок 1.1. Решетка ПДН.


Рисунок 1.2. Низкоскоростной распределитель ВНЛ.

Техническая особенность системы заключается в совмещении нескольких типов воздухораспределителей из-за требований к скорости воздушных потоков в объеме цеха. Зал окорки и рубки подразумевает наличие пыли, опилок и щепы определенной фракции, которые могут попасть в объем цеха при работе приточной системы вентиляции с избыточными скоростями. Следует учитывать, что завышенные скорости так же негативно сказываются на параметрах микроклимата для работников цеха.

Модель готового цеха представлена на рисунке 2:

Рисунок 2. Модель цеха корки и рубки древесины.

Генерация сетки

Для математического моделирования необходимо построить расчетную сетку, которая будет основой симуляции. Расчетная сетка задает точность расчета и влияет на его скорость. Генерация расчетной сетки с дополнительным разбиением ячеек по всему объема цеха не имеет смысла, так как это не только не приведет к значительному улучшению результатов, но и увеличит время расчета. Дробление сетки предусмотрено локально, вблизи конвейеров и воздухораспределительных устройств для проверки корректности распределения потоков. Итоговая сетка по результатам построения имеет объем 11168,02 м3 и содержит в себе 5.128.037 ячеек, что в среднем составляет 459 ячеек/м3. Такая сетка полностью соответствует объему модели и является достаточной для симуляции. Фрагменты сетки представлены на рисунках 3.1, 3.2, 4 и 5.

Рисунок 3.1. Фрагмент расчетной сетки.


Рисунок 3.2. Фрагмент расчетной сетки. 


Рисунок 4. Фрагмент расчетной сетки.

Рисунок 5. Фрагмент расчетной сетки

Подготовка и настройка проекта

Перед работой в модуле Flow Simulation необходимо настроить проект. Для этого задаются начальные термодинамические параметры, единицы измерения, используемые в проекте материалы, жидкости, газы и силы, действующие на объекты и частицы. После настройки проекта получились следующие условия:

1. Расчетный объем – помещение цеха (внутренняя задача с исключение полостей без течения);
2. Физические зависимости, подключенные к проекту: сила гравитации, закон сохранения энергии, массы и импульса, теплопроводность;
3. Граничные условия: приток задан массовым расходом на входе, вытяжка задана массовым расходом на выходе (по условию использования механических систем вентиляции).

Однако, стоит учитывать, что в любом проекте имеют место некоторые допущения:

1. Теплопроводность между наружными стенами и воздухом исключена для нейтрализации остывания воздуха (с учетом отопления цеха отдельной системой);
2. Начальные условия внутреннего объема цеха соответствуют нормативным параметрам (из условий первого пункта, в связи с исследованием скоростного параметра);
3. Исключена точная шероховатость материалов, к расчету приняты стандартные значения, предустановленные программой (трение почти не влияет на распределение потоков внутри цеха, доля потерь давления на трение стремится к 0).

Следующим немаловажным этапом, без которого симуляция потока невозможна, является настройка граничных условий проекта. К этому этапу относится создание и назначение плоскостей, влияющих на сам процесс распределения воздуха: области притока и вытяжки.

В проекте использовано небольшое дополнение для систем вентиляции – если задавать плоскость начала течения прямо на выходе из системы – на воздухораспределительном устройстве, то картина воздушных масс получится неправдоподобной из-за создания равномерной плоскости развития потока. Поэтому все распределители были смоделированы с небольшой частью систем воздуховодов до распределителей, что позволяет более точно определить профиль развития воздушного потока через устройство с учетом его конструктивных особенностей. Разница между двумя вариантами представлена на рисунках 6 и 7:

Рисунок 6. Картина развития потока через плоскость выхода устройства


Рисунок 7. Картина развития потока с учетом конструктивных особенностей устройства

Цели проекта и анализ сходимости 

В программном комплексе Flow Simulation есть достаточно гибкая система постановки внутренних целей проекта и расчета сходимости. Для постановки целей проекта в случае исследования воздухораспределения используются общие физические зависимости. Основой схождения являются условия достижения минимума, максимума или средних значений по заданным параметрам. В данном проекте используются следующие физические величины:

1. Скорость (основной исследуемый параметр);
2. Полное давление;
3. Динамическое давление;
4. Температура.

Важным фактором сходимости расчета является правильность настройки его завершения. Для большинства стандартных задач достаточно получить условия программного схождения по выбранным параметрам и завершить расчет с сохранением полученных данных для дальнейшего анализа. Однако такой подход не является универсальным. Программа часто делает сходимость параметров по определенной зависимости, считая ее завершенной при достижении равномерной картины распределения массива значений. Существуют случаи, когда принудительная остановка расчета приводит к значительным расхождениям с аналогичными исследованиями из-за возможности дальнейшего изменения параметров, учитывающих особенные факторы, например турбулентность потоков. Поэтому добиться сходимости важно, но еще важнее вручную проследить за стабильностью графика, чтобы убедиться в корректности моделирования. Пример графиков сходимости представлен на рисунках 8.1 и 8.2.

Рисунок 8.1. График сходимости целей проекта.


Рисунок 8.2. График сходимости целей проекта.

Математический анализ и результаты исследования

Полученные в результате симуляции данные программа преобразует в дискретную модель методом конечных объемов. С помощью внутренних инструментов Flow Simulation можно включить специальные виды визуализации. В данном проекте использованы несколько методов визуализации:

1. Плоскость сечения (Cut plots);
2. Изоповерхности (Iso-surfaces);
3. Траектории потока (Flow trajectories);
4. Параметры в точках (Point parameters).

Плоскости сечения позволяют демонстрировать потоки в определенной плоскости внутри расчетного объема помещения (рисунок 9). Изоповерхности – удобный инструмент 3D визуализации слоев потоков, имеющих одинаковые значения параметров (рисунок 10). Траектории потоков – наглядная симуляция движения частиц воздуха (воздушных масс) в объеме исследуемого помещения (Рисунок 11). Параметры в точках – инструмент отбора данных в точках с заданными координатами. В совокупности данные функции позволяют в полном объеме оценить эффективность работы систем вентиляции, а корректировка проекта в случае несоответствия нормативным значениям не является трудозатратной.

Рисунок 9. Плоскости сечения (параметр – скорость).


Рисунок 10. Изоповерхности (параметр – скорость).


Рисунок 11. Траектории потока (параметр – скорость)

Заключение

Программный комплекс SolidWorks с модулем Flow Simulation – необходимое дополнение к проектированию внутренних инженерных систем. Использование данной программы позволяет не только оценить правильность выполненных расчетов, но и максимально приблизить конечный результат к реальному, практическому. Проведение исследований с помощью данных программ является современным подходом к решению множества технических задач, упрощая понимание и видение работы систем.