Моделирование оптимальной конструкции выбросного устройства системы вытяжной противодымной вентиляции, для максимального отдаления дыма от плоскости фасада

1. Введение

В современных многоэтажных зданиях с развитой функциональной структурой эффективность систем противодымной вентиляции определяется не только расчётным расходом воздуха и типом оборудования, но и конструкцией выбросного устройства. Особенно критичен выбор геометрии и конфигурации фасадных выбросных решёток, так как от этого зависит траектория и отдаление продуктов горения, а следовательно – и безопасность эвакуации, а также защита фасада здания от нагрева и загрязнения.

На этапе предварительного расчёта было установлено, что выброс организован через жалюзийную решётку с минимально допустимой эффективной площадью живого сечения, обеспечивающей скорость не менее 20м/с и угол наклона потока, не превышающий 30° вниз, что соответствует требованиям нормативных документов (СП60.13330) и обеспечивает первичное отделение дымового потока от фасадной плоскости.

Для обеспечения высокой точности инженерных решений в рамках настоящей работы было принято решение использовать численное моделирование в программном комплексе Simcenter STAR-CCM+, позволяющем воспроизвести сложную аэродинамическую картину истечения продуктов горения при различных конфигурациях решёток.

2. Цель и задачи моделирования

Целью моделирования является определение оптимальной конструкции выбросной решётки, обеспечивающей максимальное удаление дымового факела от фасада в условиях действия тяги, разности температур и внешнего ветрового воздействия.

Для этого необходимо:

• воссоздать трёхмерную модель участка фасада с выбросной решёткой;
• задать параметры потока согласно предварительным инженерным расчётам;
• выбрать и обосновать физические модели: турбулентность, подъемную силу (стак-эффект);
• провести серию численных экспериментов с различными углами наклона жалюзи и оценить форму и отклонение дымового факела;
• выбрать конструкцию, обеспечивающую наилучший результат по: критерию расстояния от фасадной поверхности до центра тяжести дымового следа; сопротивлению на самой решетке.

3. Исходные данные

Объёмный расход на выходе:

, (1)

Температура газа на выходе:

, (2)

Требуемая скорость в живом сечении:

, (3)

Расчётная площадь живого сечения:

, (4)

Выбрана решётка типоразмера 1000×300 мм, фактическая площадь живого сечения по рисунку 6:

, (5)

Коэффициент живого сечения:

, (6)

Фактическая скорость на решетке:

, (7)

Для исследования выберем решетки производства Веза Р25:

С углом ламелей 0° (представлены в ГЧ, лист 8).

С углом ламелей 30° (представлены в ГЧ, лист 8).

Рис. 1. Данные для подбора решеток Р25 при подаче и удалении воздуха

4. Построение геометрической модели и расчетной сетки

Процесс численного моделирования начинается с формирования расчётной области, которая представляет собой трёхмерную репрезентацию участка фасада здания с установленным выбросным устройством. Геометрия создаётся во встроенном CAD-модуле STAR-CCM+ на основании предварительно сформированных проектных данных.

Целью построения геометрии является точное воспроизведение формы решётки и смежного участка фасада, чтобы корректно учесть влияние границ на характер вытекания горячего потока.

5. Геометрическая модель

В данной работе в расчётную область включены следующие элементы:

• участок фасадной стены высотой 16,0 м и шириной 8,0 м;
• выбросное устройство – прямоугольная жалюзийная решётка размером 1000×300 мм;
• наружная зона – условный атмосферный объём, простирающийся на 20 м вперёд от фасада.

Геометрическая модель строится средствами 3D-CAD с использованием операций вытягивания (Extrude), пересечений (Boolean) и последующего назначения граней под граничные условия: вход, выход, стена, симметрия.

6. Создание расчетной сетки

Для дискретизации области использовалась смешанная сетевая структура, основанная на Trimmed mesh с включением рефинирования вблизи решётки выброса.

Основные параметры сетки:

Базовый размер (Base Size):

, (8)

Локальное измельчение сетки в зоне ламелей:

, (9)

Локальное измельчение сетки в зоне выхода продуктов горения (inlet):

, (10)

Также была активирована опция Surface Remesher и Volume Mesher, что позволило построить сетку, адаптированную к сложной геометрии лопаток жалюзи и выхода воздуха.

Сетка модели представлена на рисунке 2. Локальное измельчение сетки в зоне ламелей изображено на рисунке 3.

Рис. 2. Сетка модели участка фасада с выбросной решеткой

Рис. 3. Локальное измельчение сетки в зоне ламелей

7. Моделирование выброса продуктов горения на фасад

Математическое моделирование в STAR-CCM+ проводится на основе уравнений нестационарной трёхмерной турбулентной аэродинамики с учётом тепловых эффектов. Для расчётов выбран стационарный режим.

Используемые физические модели:

• Трехмерная;
• Стационарный;
• Газ;
• Разделенное течение;
• Идеальный газ;
• Турбулентный;
• K-Epsilon модели турбулентности;
• Сила тяжести;
• Излучение;
• Излучение поверхность-поверхность;
• Тепловое излучение серого тела.

Граничные условия:

Выходной поток (Inlet): задан массовый расход, соответствующий объёмному расходу L = 19350 м³/ч, с температурой 356 К и направлением, определяемым углом наклона ламелей;

Атмосферная зона (Outlet): заданы условия давления с давлением 100 Па с учетом на стак-эффект и температурой 247 К;

Стена фасада: тепловая изоляция, без проскальзывания;

8. Визуализация и анализ результатов

Для оценки эффективности геометрии выбросного устройства использовались следующие критерии:

• Расстояние от фасадной поверхности до точки максимальной концентрации горячего газа;
• Угол отклонения струи вниз относительно горизонта.

Было произведено 4 расчета в зависимости от расположения ламелей, исходные данные указаны в таблице 5.

Таблица 1

Исходные данные для CFD моделирования выброса продуктов горения на фасад

Вариант расчета	Угол наклона ламелей, °	Расположение ламелей	Представление
1	0	Горизонтальное
2	0	Вертикальное
3	30	Горизонтальное
4	30	Вертикальное

9. Результаты моделирования

Для каждого расчета было произведено 500 итераций. В таблицах 2, 3, 4 представлены значения, на основе которых будет получен вывод об эффективности конструкции выбросной решетки.

Таблица 2

Среднее значение температуры продуктов горения согласно CFD анализа

Таблица 3

Среднее значение аэродинамического сопротивления решетки согласно CFD анализа

Таблица 4

Удаление продуктов горения от фасадной поверхности согласно CFD анализа

Рис. 4. Поля температуры продуктов горения. Вариант 2

Рис. 5. Поля давления на решетке. Вариант 2.

Рис. 6. Поля скорости до и после решетки. Вариант 2.

Рис. 7. Движение продуктов горения. Вариант 2

Выводы:

После проведения серии численных экспериментов с различными углами наклона ламелей была выбрана самая оптимальная форма установки ламелей - вариант № 2, с ламелями установленными вертикально под углом 0°.

Данная конструкция, обеспечивает наилучший результат по критериям:

• потери давления на решетке 250 Па;
• расстояние от фасадной поверхности до точки максимальной концентрации горячего газа 1,5 м;
• угол отклонения струи вниз относительно горизонта 50°.