Расчет граничных условий для CFD-моделирования тепловоздушного режима крытого плавательного бассейна

Введение

В качестве метода исследования тепловоздушного режима крытого плавательного бассейна следует применить численное моделирование реальных физических процессов, происходящих в помещении во время эксплуатации в холодный период года, как наиболее важный с точки зрения возникновения сквозняков.

Для CFD-моделирования необходимо построить геометрическую 3D модель реального помещения крытого плавательного бассейна, например, в программном комплексе для автоматизированного проектирования CAD.

Для получения численного решения необходимо задаться условиями на границах расчетных областей помещения бассейна. Под граничными условиями понимаются гидродинамические и теплофизические параметры, например скорость истечения воздуха из воздухораспределителя, его относительная влажность, температура, коэффициенты теплопередачи ограждающих конструкций, температуры поверхности обходных дорожек, зеркала воды и другие параметры. Модель, полученная методом численного моделирования, является цифровым образом физических процессов.

Задачей исследования является определение истинного значения скорости движения воздуха в рабочей зоне плавательного бассейна при применении схемы воздухораспределения «снизу-вверх» через щелевые диффузоры, установленные вдоль остекления.

В связи с вышеизложенным, необходимо определить тепло- и влагопоступления в помещении бассейна, учесть тепловые потери и составить тепловой баланс помещения для дальнейшего определения расхода и температуры приточного воздуха через каждый щелевой диффузор и скорость истечения воздуха через него.

Построение геометрической модели

Для построения виртуальной геометрической модели использован программный комплекс SolidWorks.

При построении геометрии учтены следующие условия:

1. Количество пловцов принимается 10 человек;
2. Площадь помещения бассейна 207,9 м²;
3. Площадь зеркала воды 68,9 м²;
4. Площадь обходных дорожек 139 м²;
5. Количество световых проемов и их геометрические характеристики по каждой стороне света;
6. Переменная отметка скатной кровли.

После построения геометрической модели плавательного бассейна в программном комплексе SolidWorks (рис. 1) необходимо определить исходные данные для дальнейшего моделирования.

Рис. 1. Геометрическая модель объекта исследования

Баланс вредностей

В балансе вредностей необходимо учесть все тепло- и влагопоступления в теплый и холодный периоды года, а также учесть тепловые потери через ограждающие конструкции для холодного периода. Тепловой поток от поверхностного обогрева обходных дорожек покрывает тепловые потери через ограждающие конструкции только на 40% и составляет 4170 Вт из 10492 Вт требуемого (рис. 2).

Рис. 2. Материалы конструкции обходных дорожек

В тепловой баланс помещения бассейна входят следующие теплопоступления:

1. От осветительных приборов в холодный период года ;
2. От солнечной радиации через световые проемы для расчетного часа в теплый период года ;
3. Через покрытие кровли в теплый период года ;
4. Поступления явной теплоты от обходных дорожек в теплый и холодный периоды года ;
5. Поступления явной теплоты от пловцов в теплый и холодный периоды года ;
6. Поступления скрытой теплоты с поверхности зеркала воды в теплый и холодный периоды года ;
7. Поступления скрытой теплоты от обходных дорожек в теплый и холодный периоды года ;
8. Поступления скрытой теплоты пловцов в теплый и холодный периоды года .

Для определения поступления скрытой теплоты необходимо определить следующие влаговыделения в помещении бассейна:

1. От пловцов для теплого и холодного периодов года ;
2. С поверхности зеркала воды для теплого и холодного периодов года ;
3. С обходных дорожек для теплого и холодного периодов года .

В качестве тепловых потерь рассматриваются следующие величины:

1. Явные теплопотери через ограждающие конструкции ;
2. Явные теплопотери на нагрев ванны бассейна .

После расчета вредностей для дальнейшего определения расхода воздуха необходимо найти тепло-влажностное отношение для каждого периода года. Результат расчета баланса вредностей представлены в таблице 1.

Таблица 1

Баланс вредностей в расчетном помещении

Как можно заметить из таблицы 1, в теплый период года преобладают теплоизбытки, а в холодный период – влагоизбытки, т. к. происходит более интенсивное испарение воды. К тому же, следует отметить, что в холодный период имеют место недостатки явной теплоты, поэтому зимой климатическая установка будет работать в режиме воздушного отопления.

Расчет воздухообмена

Согласно [2] удельный расход воздуха составляет на одного занимающегося, отсюда минимальный расход наружного воздуха .

Параметры наружного воздуха принимаются согласно [3], а внутреннего воздуха в помещении бассейна согласно [2].

Параметры приточного и вытяжного воздуха для теплого и холодного периодов года представлены в таблицах 2 и 3 соответственно.

В результате расчета воздухообмена объемный расход воздуха в теплый период равен , а в холодный период .

Как можно заметить, нормативный расход воздуха почти в 7 раз меньше расчетного расхода для теплого периода и в 2 раза меньше расхода для холодного.

Таблица 2

Параметры воздуха в теплый период года

Таблица 3

Параметры воздуха в холодный период года

Расчет скорости истечения воздуха

Согласно [1], выбрана конструкция воздухораспределителей при их размещении вдоль остекления. Суммарная длина составляет 27,2 м, из 13 щелевых диффузоров 10 имеют длину 2,3 м и 3 диффузора длиной 1,4 м.

По расчетному расходу в теплый период , согласно [1], принимается диффузор с двумя щелями шириной 10 мм с расходом воздуха на 1 м длины . После выбора воздухораспределительного устройства (ВР) и определения расхода воздуха на 1 м его длины, следует вычислить расходы воздуха для двух периодов года для диффузоров с длинами 2,3 м и 1,4 м и определить скорость истечения воздуха через них (табл. 4).

Таблица 4

Результаты расчета

Как можно заметить, вид щелевых диффузоров подобран для теплого периода, как по наибольшему расходу, однако моделирование будет выполняться для холодного. По причине того, что в холодный период года требуется расход воздуха для ассимиляции вредностей в 3 раза меньше, чем в теплый период, скорость истечения воздуха через ВР по расчету оказалась меньше . После численного моделирования может выясниться, что при такой скорости обеспечить оптимальный микроклимат в помещении бассейна не является возможным. В таком случае необходимо будет принять меры по модернизации системы.

Заключение

После построения виртуальной геометрической модели реального помещения бассейна, а также, определения баланса вредностей и расчетного воздухообмена, стало возможным определение температуры и скорости приточного воздуха для каждого периода года при истечении из выбранных воздухораспределителей. Эти параметры являются важной частью граничных условий для CFD-моделирования тепловоздушного режима крытого плавательного бассейна и определения истинного значения скорости движения воздуха в рабочей зоне.