Моделирование вентиляции слесарных зон

Введение

Концепция «математического моделирования» стала широко распространенной в научной литературе за последние несколько десятилетий, особенно в области естественных и технических наук [9]. На данный момент практически каждое проектное или конструкторское предприятие использует математические модели. В последние годы математическое моделирование также находит все большее применение в научных исследованиях, включая такие сферы, как экономика, управление, история и биология. Стоит отметить, что математическое моделирование представляет собой уникальную междисциплинарную область знаний, включающую в себя разнообразные объекты, подходы и исследовательские методы. Объектом исследования являются системы общеобменной и местной вентиляции помещения технического обслуживания и текущего ремонта машин с моторно-агрегатным участком.

Методы и материалы

Математическая модель – это набор уравнений или других математических выражений, описывающих основные свойства изучаемого объекта или явления в рамках определенной физической модели. Учитывается взаимодействие объекта с окружающей средой на границах пространства и времени. Как правило, математические модели процессов в непрерывных средах строятся на основе дифференциальных уравнений, которые позволяют детально описать состояние процесса в каждой точке пространства и в любой момент времени. Важнейшие характеристики таких моделей – адекватность и простота, отражающие степень соответствия модели изучаемому объекту и возможность ее практического применения. Процесс создания математической модели называется постановкой задачи. Математическое моделирование – это процесс создания и изучения математических моделей, идеальное научное знаковое формальное моделирование, где объект описывается на языке математики, а исследование проводится с использованием различных математических методов. SolidWorks – это мощный инструмент для 3D-моделирования и инженерного анализа, включающий средства для численного моделирования различных систем, в том числе вентиляции.

Объектом исследования являются системы общеобменной и местной вытяжной вентиляции помещения для ТО и ТР автотранспорта с моторно-агрегатным участком. Внутри помещения находятся два станка, выделяющие вредные вещества. Температура для проектирования вентиляции в теплый период – 21°С.

Геометрическая модель: на этом этапе создается трехмерная модель помещения слесарной зоны, включая все конструктивные элементы, оборудование и рабочие места. Модель должна учитывать размеры и расположение окон, дверей, вентиляционных отверстий и другого оборудования. Помещение технического обслуживания и текущего ремонта машин с моторно-агрегатным участком имеет размеры 18x11x7 (ДхШхВ) метров. В помещении находится два станка: стол сварщика и стол слесаря-ремонтника. Необходимо задать материалы стен, пола и потолка (например, бетон). Указываем свойства материалов, такие как плотность, теплопроводность и т. д. На воздухообмен воздуха в помещениях влияют габариты пространства, его размещение, архитектурные особенности, мощность локальных вытяжных систем, а также положение и размеры приточных отверстий.

Границы и начальные условия: задаются условия на границах модели: температура, скорость ветра, давление и т. д. Определяются источники загрязнения (выделение пыли или газов) и их характеристики. Задаются входные и выходные отверстия для воздуха, начальная температура воздуха (20°C) и скорость ветра (если она влияет на систему). Моделирование воздушных потоков выполняется с использованием модуля Simulation.

Сетка: пространство внутри модели разбивается на ячейки. Чем мельче сетка, тем точнее результаты, но больше требуются вычислительные ресурсы. Важно обеспечить достаточное разрешение в зонах с высокой градиентностью параметров (вблизи источников загрязнения). Пространство разделяется на ячейки, уделяя внимание областям вокруг станков и вентиляционных отверстий. Используя математические модели и сетку, решается система уравнений методом конечных элементов или конечных объемов. Результаты вычислений включают распределение температуры, скорости воздушных потоков, концентрации загрязняющих веществ и другие параметры.

Симуляция: запускается процесс численного моделирования и ожидается завершение расчета.

Анализ результатов: полученные данные анализируются для оценки эффективности вентиляции. Проверяется соответствие нормам, равномерность распределения воздуха, наличие застойных зон и другие показатели.

Проанализированы итоги вычислительного эксперимента по моделированию вентиляционной системы, выполненного в программной среде SolidWorks. Имитационное моделирование показало, что характеристики воздушных потоков приточно-вытяжной вентиляции в слесарной мастерской (рис. 1), такие, как траектория и скорость, соответствуют проектным значениям. Это свидетельствует о возможности применения разработанной вентиляционной системы в данном помещении.

Внутри помещения воздух перемещается от приточных элементов к вытяжным с приемлемой скоростью. Для промышленных зон, складских помещений, гаражных комплексов и аналогичных объектов допустимый диапазон скорости воздушного потока может составлять 1–1,5 м/с [5].

На основе проведенного моделирования было выявлено, что траектория и показатели скорости воздушных потоков, создаваемых приточно-вытяжной и локальной вентиляционными системами в слесарном помещении (рис. 2), согласуются с предварительно заданными параметрами. В рамках данного исследования в роли устройства местной вытяжной вентиляции используется передвижной фильтр, гарантирующий высокую эффективность и экономичность локального воздухообмена.

Согласно данным, представленным на рисунке 3, температурный режим в изучаемом пространстве находится в пределах установленных значений.

Рис. 1. Траектория и скорость движения потоков воздуха приточно-вытяжной системы вентиляции слесарного помещения

Рис. 2. Траектория и скорость движения потоков воздуха приточно-вытяжной и местной системы вентиляции слесарного помещения

Рис. 3. Температура воздуха слесарного помещения

Заключение

Сегодняшние программные решения позволяют проводить анализ разработанных вентиляционных систем на предмет соответствия стандартам, однородности воздушного потока, присутствия зон стагнации и другим важным параметрам. Использование численного моделирования при проектировании вентиляции в слесарных мастерских обеспечивает прецизионные прогнозы, позволяет учитывать специфику каждого конкретного помещения, сокращает финансовые и ресурсные издержки, а также стимулирует разработку экологически безопасных подходов. Благодаря своей многогранности и высокой степени достоверности, этот подход приобретает все большую популярность, становясь важным инструментом для инженеров и проектировщиков. Сгенерированные результаты могут оказать значительное влияние на создание действенных инженерных решений для вычислений и оптимизации систем вентиляции.