Новости
Решение проблемы с загрязнением окружающей среды при помощи средств CFD
Так сложилось, что испытания в аэродинамической трубе являются классическим методом исследования дисперсии воздушного потока и химических соединений. Но времена меняются! Ушли в прошлое те дни, когда использование средств вычислительной гидродинамики (Computational Fluid Dynamics – CFD) считалось нецелесообразным из-за различных графических ограничений, ограничений памяти и скорости процессов, а также времени обработки данных, иногда растягивающемся до нескольких недель. Последние достижения в области высокопроизводительных вычислений (High Performance Computing - HPC) и современные возможности CFD позволяют усовершенствовать или полностью заменить высокотехнологичные и дорогостоящие испытания в аэродинамической трубе численным расчётом движения воздуха, температуры или химического/частичного перемещения во внутренней и внешней среде. Консалтинговые фирмы, типа M/E Engineering, в полной мере используют преимущества таких инструментов моделирования, позволяющих выполнять полномасштабные проекты с расчётом всех возможных элементов и физических взаимодействий в реальных задачах и предоставлять точные данные и реалистичные анимации при низких стоимостных и временных затратах.
ДЛЯ ЧЕГО НУЖНЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИСПЕРСИИ ВОЗДУЩНОГО ПОТОКА И ХИМИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ?
Использование атомной энергии вызывает у людей крайне противоположные мнения, также как и постоянные споры вокруг Samsung и Apple.
Разработчики тратят значительную часть времени, наблюдая за этими существами и пытаясь воспроизвести их природные механизмы техническими средствами.
Расчёты дисперсии воздушного потока и химических соединений играют важную роль при составлении отчёта по экологии, необходимого в связи с обязательством соблюдать требования Национального закона в области охраны окружающей среды (National Environmental Policy Act - NEPA) или стандарты качества воздуха, применяемые к строительным помещениям. Например, если компания хочет построить новый производственный завод в жилом районе, она должна учесть все условия этого закона и продемонстрировать общественности надлежащие усилия, предпринимаемые компанией для исключения вероятности загрязнения окружающей среды новыми загрязняющими веществами. Если было установлено, что объект нарушает требования качества воздуха или потребляет слишком много энергии, результаты исследований дисперсии воздушного потока и химических соединений могут использоваться вместе с дополнительными численными расчётами для оптимизации конструкций впускных и выпускных систем. Механическое усовершенствование этих систем обеспечит более здоровую окружающую среду и позволит сэкономить потребляемую энергию.
МЕТОДЫ РАСЧЁТА ВОЗДУШНОГО ПОТОКА
Существует множество способов расчёта дисперсии воздушного потока и химических соединений с различной точностью, стоимостью, сложностью и широтой охвата. Проверенным, хорошо зарекомендовавшим себя методом, который уже на протяжении нескольких десятилетий рассматривается как основной, является построение масштабной модели здания и окружающей территории и испытание её в аэродинамической трубе с атмосферным пограничным слоем (АПС). Такой метод рассматривался как наиболее точный для использования в промышленности. Однако он является дорогостоящим, отнимающим много времени и требующим высокотехнологической экспертизы. Полуэмпирические методы расчёта, такие как метод ASHRAE или Гаусса (Gaussian), также позволяют рассчитать шлейф дисперсии и обычно используются многими инженерами. К сожалению, эти методы, в отличие от средств CFD, во многих практических случаях оказываются неточными и не могут рассчитать сложную физику.
CFD: ПРЕИМУЩЕСТВА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
CFD – относительно новая технология расчёта дисперсии воздушного потока и химических соединений, в первую очередь из-за исторического отсутствия супер вычислительных ресурсов и специалистов CFD в промышленности. Тем не менее, в настоящее время существует ряд высококвалифицированных и высококомпетентных консалтинговых фирм по всему миру (в том числе группа M/E Engineering), которые выполняют расчёты средствами CFD, имеющими множество преимуществ по сравнению с другими методами:
-
Это привлекательная технология в плане стоимости, не требующая необоснованного конструирования или поддержания физического прототипа.
-
Позволяет исследовать сложные случаи, которые трудно или вообще невозможно рассчитать с помощью аэродинамической трубы или другими методами (например, сложные конструкции выхлопных труб, детализированная геометрия, крыши или автостоянки с подогревом).
-
Предоставляет наиболее полные данные о физике системы.
-
Позволяет рассчитать подъёмную силу и разницу температур выхлопов и окружающего воздуха, что невозможно рассчитать с помощью аэродинамической трубы и упрощённых численных методов.
-
Не основан на использовании эмпирических данных, которые очень привлекательны с точки зрения пользователя.
-
Обеспечивает чрезвычайно полезные визуальные возможности и мобильность для клиентов с простым доступом и анализом данных в любое удобное для пользователя время.
Но процесс интеграции CFD с исследованиями дисперсии воздушного потока и химических соединений происходит очень медленно. Одна из главных причин – стереотипы разработчиков. Многие потенциальные клиенты помнят прошлые времена, когда CFD просто не имели возможностей выполнять сложные, полномасштабные задачи, к числу которых относятся исследования ветровых потоков. Ещё одна проблемы – эксперты по работе с аэродинамическими трубами, естественно, заинтересованы в продвижении исследований в аэродинамической трубе, а не средствами CFD. Большинство аргументов в пользу использования аэродинамических труб основывается на устаревших данных, сравнениях CFD-моделей с неадекватным количеством ячеек или сравнениях несопоставимых понятий. Кроме того, на CFD-расчёт тратилось больше времени по сравнению с расчётом в обычной аэродинамической трубе. Поэтому для определения наиболее эффективного метода для расчёта, способного охватить все возможные сценарии решения, требовалось мнение профессионала.
«НЕ ВСЁ ТО ЗОЛОТО, ЧТО БЛЕСТИТ»
Валидация численных методов на точность является очень важным шагом при внедрении CFD-технологии в новую отрасль промышленности. Для валидации задач на дисперсию воздушных потоков и химических соединений есть ряд работ с исследованиями в реальных условиях, однако они используются крайне редко и часто показывают ненадёжные результаты, так как многие из них были проведены более десятилетия назад, когда технология не была столь развита. Кроме того, большинство этих устаревших статей, документирующих проведённые исследования, основаны на менее развитых моделях турбулентности и менее совершенных решателях, таких как модель отсоединённых вихрей (Detached Eddy Simulation – DES). Исследования в аэродинамической трубе являлось классическим методом на протяжении многих лет, и общество имеет предубеждение, что исследования в аэродинамической трубе всегда точны.
В литературе делается попытка сравнить результаты CFD-расчёта с данными испытаний в аэродинамической трубе, однако очень сложно прийти к сравнению двух действительно сопоставимых понятий. В 2006 году агентство по охране окружающей среды EPA сравнило результаты ряда исследований в аэродинамической трубе с данными полевых исследований (исследований в реальных условиях) в отношении концентрации загрязняющих веществ от выхлопных труб (Рисунок 1). Результаты оказались весьма впечатляющими и показали, что испытания в аэродинамической трубе не всегда являются надёжным источником для сравнения. Разница величин при сравнении данных полевых исследований с данными аэродинамической трубы может составлять не менее двух порядков.
Рисунок 1 – Сравнение концентрации веществ, полученной испытаниями в аэродинамической трубе и полевыми испытаниями. Как видно из рисунка, испытания в аэродинамической трубе не всегда являются надёжным источником для сравнения. (Источник: Snyder, William H; “Laboratory Modeling of Atmospheric Dispersion at the Fluid Modeling Facility of the US Environmental Protection Agency. MiniTech Presentation, 15 March 2006, USEPA and NOAA presentation)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ CFD В M/E ENGINEERING
Группа M/E Engineering использует STAR-CCM+ для анализа воздушных потоков при решении стационарных и нестационарных задач широкого круга. Одна из основных областей применения – исследование потоков загрязняющих веществ, перемещающихся из выпускных труб, установленных на зданиях, к воздухозаборникам (впускным устройствам) этих же или других зданий. Цель таких исследований - улучшение состояния здоровья людей на исследуемой территории, повышение уровня безопасности, а также уменьшение запахов в зданиях и прилегающих территориях вследствие повторного попадания выхлопов через воздухозаборники и окна. С помощью численного моделирования можно отследить движение входящего и выходящего потока загрязняющих веществ от одновременно нескольких источников и точно рассчитать распределение капель, газов и частиц после того, как их подхватывает суррогатный воздушный поток.
ПРИМЕР 1: ЯДОВИТЫЕ ГАЗЫ В ПРИГОРОДНОМ СТУДЕНЧЕСКОМ ГОРОДКЕ
Для исследования дисперсии воздушного потока и химических соединений вокруг здания университета, расположенного в центре пригородного студенческого городка, были проведены стационарные расчёты с использованием программного кода STAR-CCM+. Цель исследования состояла в уменьшении вероятности попадания токсичных веществ во впускные системы близлежащих зданий.
В начале проекта у инженеров не было никаких доступных чертежей этой области или данных, полученных искусственным спутником. Кроме того, не было возможности посетить само место и сделать необходимые замеры для создания подробной 3D CAD модели данной территории. Модель включала в себя здания, автостоянки, воздуховоды, выхлопные устройства, а также многочисленные каналы для впуска воздуха. STAR-CCM+ позволяет моделировать чрезвычайно сложные структуры, которые практически невозможно рассчитать с помощью аэродинамической трубы (Рисунок 2).
Рисунок 2 - В отличие от аэродинамической трубы STAR-CCM+ позволяет моделировать чрезвычайно сложную геометрию при расчёте аэродинамической и химической дисперсии
Исследуемое здание было расположено на одной территории с другими зданиями и имело устаревшую горизонтальную выпускную систему, сбрасывающую в атмосферу чрезвычайно пахучие вредные вещества. После многочисленных жалоб студентов, сотрудников и людей, проживающих на данной территории, университет был вынужден искать решения для устранения запахов и предотвращения повторного попадания загрязнённого воздуха во впускные системы зданий. Как правило, стационарные решения с использованием уравнений Навье-Стокса, осреднённых по Рейнольдсу (Reynolds Averaged Navier-StokesRANS), и модели K-Epsilon для такого рода задач осредняются по времени. Они считаются консервативными, т.к. в такой постановке шлейф загрязняющих веществ рассматривается наклонённым ближе к земле, что приводит к более мощному воздействию. При расчёте задачи с помощью STAR-CCM+ стало ясно, что когда пахучие газы высвобождаются из здания, они перемещаются вдоль всей крыши, попадая во все воздуховоды, ре-циркулируют вниз на стоянку (откуда также поступали жалобы), затем движутся поверх следующего здания, где также имеются свои воздуховоды (Рисунок 3). Группа M/E Engineering использовала STAR-CCM+ для подробного анализа пахучих концентраций.
Рисунок 3 – Стационарный расчёт в STAR-CCM+: дисперсия пахучих газов вдоль крыши здания университета
В итоге проблема была устранена за счёт выпускных труб Strobic®, выталкивающих загрязняющие вещества высоко в воздух, так чтобы на крыше не образовывалось пахучее облако, и потенциально токсичные газы не попадали в воздухозаборные устройства зданий и на автостоянку (Рисунок 4).
Рисунок 4 – Решение проблемы с перемещением токсичных выхлопов путём установки выхлопных труб Strobic®
ПРИМЕР 2: НЕСТАЦИОНАРНЫЙ РАСЧЁТ ПОЛНОЙ СИСТЕМЫ
Имея доступ к кластеру, группа M/E Engineering имела возможность запускать множество нестационарных аэродинамических расчётов STAR-CCM+ для исследования сложных и полных систем (анализ нескольких зданий, устройств впуска и выпуска, транспорта, дорог, автостоянок… в рамках одного моделирования). Такие исследования имеют первостепенное значение для промышленности. В данном примере рассматриваются выхлопы, оставляемые вертолётом при полёте в режимах зависания и посадки на крышу городской больницы, имеющей посадочную площадку, а также взаимодействие этих выхлопов с окружающей средой. Исследования проводились с целью оценки вероятности попадания выхлопов вертолёта во впускные системы близлежащих зданий. Движение и зависание вертолёта моделировалось с помощью программного кода STAR-CCM+ и включало в себя изменяющуюся во времени скорость и направление воздушного потока, создавая условия для очень реалистичного моделирования.
Заказчик планировал построить три новых высотных здания вокруг здания с посадочной площадкой. Каждое из этих зданий препятствовало распространению выхлопов, создавая область, скапливающую загрязняющие вещества и удерживающую их в течение длительного периода времени. Программное обеспечение STAR-CCM+ дало возможность количественно рассчитать воздействие пахучих выхлопов вертолёта (Рисунок 5). Перекрывающаяся сетка позволила смоделировать вертолёт в следующих режимах полёта: перемещение под углом 25 градусов с северного направления, замедление скорости, понижение высоты, зависание в течение нескольких секунд, затем снова набор высоты, разворот и следование по другому воздушному коридору. При расчёте движения вертолёта и выпуска выхлопных газов учитывалась работа дизельной выхлопной системы для аварийного энергоснабжения. Результаты расчётов STAR-CCM+ очень чётко показали, что выхлопы вертолёта влияют на направление движения выхлопов дизельного двигателя.
Рисунок 5 – Посадка вертолёта на крышу
Также было исследовано влияние выхлопов четырёх аварийных генераторов энергии на окружающую среду. STAR-CCM+ позволил заглянуть в загрязняющее облако с растворением вредных выделений в окружающей атмосфере в соотношении 1000:1 , 2000:1 и 4000:1. Для дальнейшего анализа были также рассчитаны значения нормализованной концентрации и отображены на графике во временной зависимости (Рисунок 6).
Рисунок 6 – Временная зависимость нормализованной концентрации в различных точках пробы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследования дисперсии воздушных масс и химических соединений обычно проводятся для оценки воздействия на окружающую среду новых или реконструированных объектов, выпускающих в атмосферу химические вещества. Для проведения таких исследований существуют различные техники с различной точностью, стоимостью, сложностью и полнотой охвата переменных. На фоне всех этих методов выделяется метод CFD, позволяющий решать очень сложные реальные модели, включая движение и взаимодействие нагреваемых поверхностей. Такое моделирование невозможно проделать другими методами численного решения или испытаниями в аэродинамической трубе. Кроме того, средства CFD предоставляют наиболее полную информацию о физике процесса, а инструменты пост-процессинга обеспечивают пользователю превосходную визуализацию решения.
M/E ENGINEERING
M/E Engineering, консалтинговая группа инженерных решений на основе компьютерного моделирования, специализируется на использовании численных методов расчёта и визуализации воздушных потоков внутри и снаружи зданий. Такой анализ применим к помещениям лабораторий, вытяжным устройствам, помещениям с особо чистой атмосферой, операционным помещениям и многим другим помещениям, требующим определённую степень чистоты или качества внутреннего воздуха, а также уровня возгорания и задымленности. Группа также занимается исследованием перемещения внешних воздушных потоков и расчётом аэродинамической нагрузки. Основная часть исследований группы связана с высокотехнологичными зданиями, такими как лаборатории, научные и исследовательские центры, помещения с особо чистой атмосферой, однако группа также выполняет анализ окружающей среды в офисных помещениях, стадионах, очень больших закрытых помещениях, теплоэлектростанциях, а также больничных помещениях.
ВАЖНЫЕ АСПЕКТЫ РАЗРАБОТКИ ВЫПУСКНОЙ ТРУБЫ
Чтобы разработать эффективный выпускной трубопровод для промышленного здания, необходимо устранить вероятность попадания опасных выхлопов из этого трубопровода в систему впуска близлежащих зданий, расположенную на крышах этих зданий. Кроме того, существует множество других важных факторов, которые необходимо учитывать при выборе выпускной трубы, например, потребление энергии, запах, шум, а также чисто эстетические факторы. Высота и диаметр трубы, а также интенсивность выбросов оказывают сильное влияние на высоту шлейфа загрязняющих веществ, их скорость на выходе и концентрацию. Эти параметры имеют решающее значение для предотвращения попадания загрязняющих веществ во впускные системы зданий, перемещения их в пешеходные зоны, а также устранения препятствий во взаимодействии с близлежащими зданиями. Средства CFD позволяют найти наилучшее решение с оптимальными условиями для поддержания здорового состояния и безопасности одновременно с минимальным использованием энергии.
