Новости
Очистка воздуха в помещениях
CFD-расчёты, выполненные компанией M/E Engineering по заказу Корнельского университета, помогли оптимизировать энергопотребление вентиляционной системы биотехнологической лаборатории, обеспечивая безопасные условия труда для студентов и преподавателей.
Обычно для решения задач из области строительной индустрии проводится численное моделирование взаимодействия жидких и газообразных сред со строительной конструкцией. Средства CFD помогают инженерам и архитекторам понять условия внутри и снаружи физической конструкции при расчёте, например, аэродиинамики здания, противодымных/противозагрязнительных систем, теплового комфорта. Добавим сюда же исследование устойчивости конструкции, имеющей комфортные для человека температурные условия и минимальные потребления энергии. Некоторые из этих аспектов были затронуты Проектом Корнельского университета.
Разработчики тратят значительную часть времени, наблюдая за этими существами и пытаясь воспроизвести их природные механизмы техническими средствами.
Каждый, кто когда-либо управлял велосипедом в ветреный день, подтвердит, что движение воздуха и силы, возникающие на поверхности тел, сильно влияют на скорость движения велосипедиста.
ПРОЕКТ КОРНЕЛЬСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
В Корнельском университете была принята программа по энергосбережению, направленная на поиск наиболее эффективных и инновационных способов сокращения потребления энергии. Одной из основных задач программы являлась оптимизация вентиляционной системы с целью сократить объёмы использования наружного воздуха в помещениях. Для решения этой задачи университет инициировал проект по исследованию системы вентиляции биотехнологической лаборатории. В ходе исследования предполагалось выявить потенциально проблемные зоны воздушного потока и найти решения, обеспечивающие безопасную рабочую среду для студентов и преподавателей и низкое потребление энергии.
Университет составил план температурных условий работы лаборатории для снижения частоты циклов воздухообмена. На кафедре «Гигиена и безопасность окружающей среды» окончательно утвердили режим с 6 циклами воздухообмена в час. Для исследования такого режима требовалось использовать проверенные методы численного расчёта.
ВЫБОР ПАРТНЁРА
Для оптимизации вентиляционной системы в сторону эффективного потребления энергии Корнельский университет решил воспользоваться средствами CFD, мощным инструментом анализа воздушных потоков. С этой целью необходимо было найти инженерную организацию, имеющую опыт работы с программными обеспечениями для решения такого рода задач. В итоге, университет обратился за помощью к консалтинговой компании M/E Engineering. Инженерная группа M/E Engineering (CAES Group) из Нью-Йорка специализируется на использовании средств CFD в расчётах поведения воздушных потоков, перемещений загрязнений с воздуха, температурной стратификации и перемещений твёрдых частиц как внутри, так и снаружи помещений.
Средства CFD в такого рода исследованиях помогают найти научное решение для безопасного снижения количество циклов воздухообмена. Они позволяют виртуально оценить эффективность вентиляционной системы, не подвергая людей опасным испытаниям с использованием химических веществ в реальных условиях.
ЗАДАЧА
Здание биотехнологической лаборатории состояло из двух одинаковых студенческих лабораторий, соединённых дверью. Через открытый проход двух-комнатная лаборатория соединялась с компьютерным классом. Каждая лаборатория имела 8-ми футовый вентиляционный воздуховод. Верхние части воздуховода были перфорированы для медленного отвода воздуха к потолку. Идея заключалась в том, что длинные диффузоры воздуховодов с медленным потоком будут создавать слой свежего воздуха, который будет спускаться вниз к полу. Такой подход позволял избежать как обдувания участвующих в эксперименте студентов воздухом, так и высокого уровня шума. Каждая лаборатория имела вытяжки. Кратность воздухообмена вентиляционной системы лаборатории в первоначальном исследовании составляла 8, 10 и 12 циклов/ч.
Перед инженерами стояло несколько целей. Необходимо было определить эффективность работы существующей вентиляционной системы лаборатории: система продувала большой объём воздуха в учебных помещениях, и не было уверенности, что свежий воздух попадал вниз в зону вентиляции студентов. Кроме того, нужно было определить, можно ли снизить объём воздуха, используемого в каждой лаборатории, сохраняя безопасную окружающую среду для студентов и преподавателей.
АНАЛИЗ
Начальный анализ
Создав 3D CAD модель лабораторий, инженеры M/E запустили несколько расчётов с разными сценариями воздухообмена, используя программное обеспечение от CD-adapco STAR-CCM+. Была также создана динамическая модель утечки ацетона, с помощью которой предполагалось определить, на какое расстояние распространяются пары ацетона в лабораториях, и как быстро вентиляционная система сможет очистить воздух. Время испарения и полного рассеивания жидкого ацетона с предельно допустимой концентрацией около 250 мг/м3 составляло 30 минут.
Результаты расчётов STAR-CCM+ показали, что на уровне потолка воздух перемещался очень медленно. Фактически, воздух почти не двигался. Около 50% свежего воздуха, попадающего в лаборатории через воздуховоды, удалялось через расположенную рядом вытяжку, прежде чем воздух мог спуститься в зону вентиляции студентов. Расчёт утечки ацетона показал, что пары медленно перемещались по обеим лабораториям и компьютерному классу. Это свидетельствовало о том, что вентиляция не создавала отрицательного давления в помещении, где ацетон был пролит, и поэтому в зоне вентиляции студентов или на уровне пола свежий воздух практически не циркулировал. Инженеры сравнили общие показатели, полученные при расчёте утечки ацетона (например, область распространения паров), с результатами дымового теста в физической лаборатории. Полученные результаты соответствовали результатам испытаний. Кроме того, результаты показали, что воздухообмен с 8, 10 и 12 циклами в час неприемлем для очистки воздуха лабораторий от ацетона.
Изменение конструкции
После выявления недостатков существующей вентиляционной системы инженеры M/E рассчитали более 10 различных вариантов изменённой конфигурации. Для каждого варианта применялась модель утечки ацетона. На основе полученных CFD- результатов были изменены конструкции воздуховодов и вытяжки. Кроме того, университет получил экономически выгодное решение, поскольку все расходы на решение покрывались за счёт сэкономленных средств от снижения потребления энергии.
В итоге, группа разработчиков удалила 8-футовые перфорированные воздуховоды и добавила радиальные диффузоры к концам оставшихся каналов. Радиальные диффузоры направляли воздух вниз и в лабораторию, замедляя скорость потока и не создавая шума. Инженеры также переместили вытяжку подальше от каналов подачи свежего воздуха для создания лучшей циркуляции воздуха в лаборатории. Повторный запуск расчёта с новой вентиляционной системой показал, что воздухообмен с 6 циклами не только возможен, но и является более эффективным по сравнению с 8, 10 и 12-цикловым воздухообменом.
Моделирование позволяло инженерам определять среднюю концентрацию ацетона в лабораториях и выявлять конструктивные недостатки каждой конфигурации. После этого в конфигурацию вносились необходимые усовершенствования, или запускалась другая конфигурация. Таким образом, одним из преимуществ численного моделирования является возможность рассчитывать сразу несколько вариантов конструкции, без необходимости её физического создания для проверки её функционирования, что позволяет сэкономить денежные средства. В итоге, была выбрана наиболее эффективная и экономичная модель вентиляционной системы.
ПРЕИМУЩЕСТВА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ
Стоимость новой конструкции вентиляционной системы составила ,000. Компания M/E Engineering показала Корнельскому университету, что в действительности наиболее эффективной является система с 6 циклами воздухообмена, а не 12. Ко всему прочему, при этом поддерживаются безопасные условия для работы студентов и преподавателей. Университет подсчитал, что стоимость изменения конструкции окупится уже через пять лет за счёт снижения потребления энергии. Кроме того, университет определил, что результаты исследований могут использоваться для усовершенствования других зданий университета.
STAR-CCM+ - НАДЁЖНЫЙ ИНСТРУМЕНТ ЧИСЛЕННОГО РАСЧЁТА
Современная технология построения сеток STAR-CCM+, автоматизация процессов и удобный пользовательский интерфейс позволили группе M/E Engineering получить высококачественную сетку за минимально короткий срок. Работая с другими CFD-кодами, Вам необходимо проверять всю модель: каждая линия, каждая грань и каждый объём должны быть заданы корректно. В STAR-CCM+ этого делать не нужно, достаточно просто задать общие свойства сетки. Построитель призматических слоёв автоматически измельчит небольшие зазоры между элементами без существенного увеличения общего количества ячеек. Такая возможность позволяет инженерам рассчитывать детали, которые при использовании других методик были бы упущены из виду.
В ходе исследования консультанты M/E Engineering продемонстрировали необычную гибкость STAR-CCM+: Вы можете легко и быстро изменять геометрию, запуская различные сценарии. В данном случае, при исследовании вентиляционной системы лаборатории было решено изменить диффузор. Для этого был подобран новый диффузор, выполнены необходимые Булевы операции и сгенерирована новая сетка одним нажатием на кнопку. С другими ПО Вам пришлось бы начинать весь процесс заново: вернуться в CAD, задать новые физические параметры, условия и критерии сетки. Т.е. чтобы изменить что-то одно, нужно вернуться в самое начало, в то время как в STAR-CCM+ - всего на один шаг назад. STAR-CCM+ сохраняет все остальные сетки и физические свойства».
Таким образом, STAR-CCM+ с его высоким уровнем автоматизации, продвинутыми сеточными возможностями и гибкостью оказался надёжным инструментом расчёта, позволившим инженерам M/E Engineering разработать эффективную и экономичную вентиляционную систему для Биотехнологической лаборатории Корнельского университета.
