Современным способом расчета и оценки эффективности систем вентиляции производственных помещений является моделирование методами вычислительной газодинамики (CFD - Computational Fluid Dynamics), позволяющее детально и точно прогнозировать степень загрязнения помещений.
Внутри зданий и цехов промышленных предприятий протекают различные технологические процессы, от которых в замкнутое пространство могут выделяться вредные вещества. Главная задача, которую должна выполнять вентиляция производственных помещений, — это удаление загрязненного воздуха, негативно влияющего на здоровье человека и замещение его свежим обработанным воздухом извне. Мероприятия по организации вентиляции обычно связаны с высокими финансовыми затратами и риском того, что смонтированная система вентиляции окажется малоэффективной вследствие ошибок, допущенных при её проектировании.
Методы вычислительной газодинамики позволяют при наличии программного обеспечения ANSYS и вычислительных мощностей, соответствующих уровню сложности рассматриваемой задачи, производить визуализацию потоков частиц, оценивать концентрацию вредных веществ, распределение температуры в цехе и ряд ругих параметров. Это позволяет на этапе проектирования системы оценить ее эффективность и избежать финансовых потерь от возможных ошибок проектирования.
Для моделирования систем вентиляции производственных помещений используется программный комплекс ANSYS Fluent, в котором реализованы методы вычислительной гидрогазодинамики с использованием метода контрольных объемов.
Программный комплекс ANSYS Fluent позволяет решать стационарные и нестационарные задачи механики жидкости и газа, основанные на численном решении уравнений Навье-Стокса с применением осреднения параметров течения по Рейнольдсу или вихреразрешающими моделями турбулентности. Кроме уравнений Навье-Стокса решение также может включать в себя произвольный набор уравнений конвекции-диффузии и алгебраических замыканий, в частности, уравнений энергии, переноса концентрации веществ, уравнений состояния вещества. Кроме того, возможно включение в задачу дополнительных уравнений или законов, описываемых пользовательскими подпрограммами. Встроенные в ANSYS Fluent модели позволяют промоделировать распространение облака загрязняющих веществ как поля концентрации, объемной доли или набора дискретных частиц в рамках двухфазной модели Эйлерова или Лагранжева типа или модели многокомпонентной смеси.
При решении задачи распространения загрязняющих веществ в цехе с вентиляцией репрезентативная геометрическая модель цеха разбивается на набор непересекающихся контрольных объемов при помощи одного из доступных сеточных препроцессоров: ANSYS Meshing, ANSYS ICEM СFD или ANSYS Fluent Meshing. При этом возможно применение сочетаний контрольных объемов различных форм: тетраэдрических, гексаэдрических, пентаэдрических в форме четырехугольных пирамид или треугольных призм, многогранников произвольной формы, вырожденных многогранников с гранецентрированными узлами (при построении методами типа cut-cell). Источники загрязняющих веществ могут быть заданы начальным распределением концентраций или объемных долей или ненулевыми источниковыми членами в уравнениях в контрольных объемах, геометрически расположенными вблизи их реального места образования на рабочем месте сварщика.
Условия вентиляции задаются граничными условиями начально-краевой задачи на выделенных в соответствии с реальным расположением дверей, окон, каналов вентиляции и других объектов, принимающих участие в массообмене, участках границы контрольно-объемной модели цеха. Таковыми граничными условиями может быть назначение заданного объемного или массового расхода, заданного значения давления, температуры, фазового или компонентного состава газа. При использовании фильтров их работа моделируется при помощи моделей пористого тела, источниковых членов или дополнительных пользовательских функций.
С учётом объёма помещения и оцениваемой точности решения, количество используемых в задаче контрольных объемов может варьироваться от 10 до 100 миллионов объемов. Возможно применение подхода, при котором после решения задачи на первоначально грубой сетке (с малым количеством контрольных объемов), сетка измельчается вблизи больших значений градиентов параметров течения для уточнения решения в тех областях расчетного пространства, где это необходимо и представляет практический интерес для определения концентраций вредных веществ.
Моделирование в ANSYS Fluent опирается на численные методы, использующие неявную безусловно устойчивую схему интегрирования по времени. Использование этой схемы позволяет выбирать практически произвольные шаги расчета по времени, значение которых будет определяется лишь потребностью в детализации процесса и сходимостью неявной схемы внутри шага по времени. Опыт расчетов подобных задач говорит о том, что характерные значения шага по времени для нестационарных задач составляют порядка 0,1 секунды. Для решения задач вентиляции возможно ускорение процесса расчета, например, при решении только задачи переноса концентраций или объемных долей вредных веществ на поле скоростей, полученном в стационарном расчете.
В расчетах вентиляции основными параметрами, определяемыми в ходе моделирования, являются поля скоростей и линии тока внутри расчетного объема, так как вместе с движением среды в пространстве в нем перемещаются поля концентраций вредных веществ. Поскольку движение вредных веществ, в основном, происходит в основном объеме воздуха, точное определение параметров течения вблизи стенок, также, как и уточнение вихревых структур, не очень важно, поэтому для решения таких задач вполне можно применять двухпараметрические модели турбулентности типа высокорейнольдсовых или низкорейнольсовых. При этом можно использовать двухступенчатый способ определения профиля течения близи стенок, разрешающий пограничный слой при низких числах Рейнольдса, и использующий логарифмический закон распределения скорости при высоких.
Любое численное моделирование, помимо фундаментальных законов, выраженных в решаемых уравнениях, опирается на некоторое количество модельных параметров. Значения этих параметров могут быть очевидны из физики процесса. Например, физические константы для воздуха и законы их изменения могут быть легко найдены в литературных источниках. Многие из них уже содержатся в библиотеках ANSYS Fluent. Однако некоторые параметры можно определить лишь в ходе валидации решений, полученных с помощью моделирования, на реальных данных эксперимента. Поэтому на первых этапах построения численной модели процесса необходимо проведение дополнительных исследований, позволяющих настроить модельные параметры, например, на эксперименте меньшего масштаба, так, чтобы полномасштабная модель в дальнейшем имела высокую предсказательную способность. Эти же исследования позволяют оценить погрешность, с которой мы можем предсказать результат и сделать вывод о возможности моделирования процессов.
