Áramlások numerikus szimulációja és néhány épületgépészeti alkalmazása 2008

Átírás

1 Áramlások numerikus szimulációja és néhány épületgépészeti alkalmazása 2008

2 Áramlások

3 Örvények

4 Gázturbina lapát érdesített hőtıcsatornája

5 Áramlások numerikus szimulációja FLUENT 6. véges térfogat elvő szoftverrel Háromdimenziós stacionárius és instacionárius lamináris és turbulens áramlások számítása Anyagátadás, anyagtranszport számítása Hıátadás, hıvezetés, sugárzás számítása Kétfázisú közegek (porszemcsék áramló közegekben, gázbuborékok folyadékban) Az összenyomhatóság figyelembe vétele Égés, kémiai reakciók Kavitációs áramlások Áramlás szőrıkben, membránokon keresztül

6 12 alkalmazási példa 1. Irodaépületekhez csatlakoz átrium munkahelyekkel (áramlási, hımérsékleti viszonyok, komfortparaméter megoszlás, beáramlás a bejáraton keresztül, és annak megakadályozása, hıátvitel üveghomlokzaton keresztül) 2. Iroda (hımérséklet, sebesség, frisslevegı tartalom, tartózkodási idı megoszlás) 3. Klímahomlokzat (hıátvitel számítása) 4. Az Operaház nézıtere (áramlási sebesség és hımérséklet megoszlás) 5. A Mővészete Palotája Bartók terem (hımérséklet és áramlási sebesség megoszlás) 6. Papp László Sportaréna nézıtere (áramlási sebesség, hımérséklet nedvességtartalom megoszlás, füst terjedés, elıírt hımérséklet, sebesség) 7. Gyógyszergyári helyiségek vizsgálata (sebesség, hımérséklet, tartózkodási idı megoszlás, szemcsék levegıbe kerülése, pályája). 8. Uszodatechnika (áramlási viszonyok, tartózkodási idı, klórtartalom, páratartalom a légtérben, élményelemek) 9. Üzemcsarnok szellızı rendszer áramlástani vizsgálata (hımérséklet és sebességmegoszlás a jelenlegi állapotban és egy szellızési megoldás megvalósítása esetén) 10. Rooftop berendezés hıcserélıje elıtti térben kialakuló áramlás numerikus szimulációja (fagyásveszély miatti rendszeres leállás megszüntetése) 11. Golfklub kiszolgáló tér vizsgálata (hımérséklet, áramlási sebesség, szennyezı koncentráció megoszlás) 12. Metrószerelvények érkezése egy állomásra

7 1. Irodaépületekhez csatlakozó átrium Cél: a levegı sebesség, a hımérséklet, a komfortparaméter (PPD) eloszlásának meghatározása, üvegfal hımérséklete és a hıátvitel számítása, ajtón keresztül történı átáramlás, ennek megakadályozása túlnyomással

8 Az átrium elhelyezkedése hátulnézet elılnézet Irodaházak között lévı, azok felé nyitott légterő átrium Külsı hımérséklet: - 8 C Az irodai szinteken 40 W/m 2 hıterhelés Földszinti padlófőtés 29 C Adott a szintenként oldalról beáramló és felülrıl befújt és elvezetett levegı térfogatáram

9 Áramkép az átriumban: a homlokzaton és a hátfalon leáramló hideg levegı

10 Hımérséklet és sebességmegoszlás a padlók fölött 1,2 m magasságban

11 Komfortparaméter a padlók fölött 1,2 m magasságban dr = 0,62 ( T) v 0,05 ( 0,37 v ,13 )

12 20% és 30% elégedetlenségi arányhoz tartozó térrész (a hımérséklet szerint színezve)

13 Üvegfelületek termikus jellemzıi Hıátadási tényezı A belsı felület hımérséklete

14 Áramlás a tolóajtó nyitását követı 15 sec alatt P = 0 P = 6 Pa

15 2. Iroda áramlási és hımérsékleti viszonyainak vizsgálata Cél: Sebesség, hımérséklet, frisslevegı arány térbeli eloszlásának meghatározása, és a hıátvitel számítása az ablakon keresztül

16 Levegıminıség az irodában 5.4m 45 Friss levegı: 19 C 560mm 2100mm 30 m3/h 28 C befújás 75 m3/h 28 C 45 m3/h 19 C 300mm 600 mm elszívás 500 x 150 mm 1 m 2.5 m 1.8 m Főtött (visszaforgatott) levegı: 28 C A levegı belépı sebessége: 2.4 m/s

17 Áramvonalak a friss levegı részaránya szerint színezve Főtılevegı rövid úton távozik

18 Frisslevegı részarányának kontúr ábrája

19 Hımérsékletmegoszlás

20 Hıveszteség az iroda ablakán (2D modell) 30 m3/h /1.2m 75 m3/h /1.2m 45 befújás 5.4m elszívás 500mm 1000mm Belépési sebességek: v=2.4 m/s Belépı levegı hımérséklete: t=28 C 2100mm 2.5m Külsı hımérséklet: t=-8 C 560mm 300mm ablak Külsı hıátadási tényezı: α=24 W/m2/K Ablak hıátadási tényezı: K=1,6 W/m2/K

21 Áramvonalak

22 Sebességmegoszlás

23 Hıáramsőrőség az ablak felületén

24 Az ablak belsı hımérséklete Hidegen sugárzó felület nem alakul ki

25 3. Hıátvitel számítása klímahomlokzat alkalmazásánál Cél: a hıátvitel meghatározása különbözı iroda légcsere szám, meteorológiai viszonyok és klímahomlokzat jellemzık mellett

26 A klímahomlokzat felépítése és numerikus hálója Felsı szellızınyílás Számítási esetek Napsütéssel/napsütés nélkül Dupla üveg kint Dupla üveg bent Nyár Tél Nyár Tél Alsó szellızınyílás

27 Sebességmegoszlás a klímahomlokzatban (nyár napsütéssel, 1-szeres légcsere). A sebességvektorok a sebesség nagysága [m/s] szerint színezve (bal oldalon a belépı nyílás, jobb oldalon az elszívás környezete)

28 Hımérsékleteloszlás a klímahomlokzat belsı terében napsütéses idıben nyár óránkénti irodai légcsere tél óránkénti irodai légcsere légcseréhez képest - 49%

29 A numerikus szimulációval kapott eredmények megbízhatósága Papp László Sportaréna Jégstadion tetı Essen (D) Nyomásmegoszlás Nyomásmegoszlás Szélcsatorna mérés Szélcsatorna mérés Numerikus szimuláció Numerikus szimuláció

30 Benzinmotor katalizátor Úton gördülı kerék 1.5 Sebességmegoszlás Cp [-] ϕ [ ] Fackrell CFD k-omega CFD k-epsilon Numerikus Mérés szimuláció Mért és számított nyomásmegoszlás

31 4. A Magyar Állami Operaház nézıtere Cél: az áramlási sebesség és a hımérséklet megoszlásának meghatározása

32 A nézıtér geometriai modellje

33 A befúvások (ülések alatt, kék) és elszívások (piros) helyei Minden elszívó mőködik: kürtıelszívón 50%, felsı elszívókon 40%, páholyokban 10%

34 A nézıket helyettesítı cellák (hıforrások)

35 A hımérséklet megoszlás a nézıtéren és a zenekari árokban

36 Az áramvonalak a sebesség szerint színezve Az 1. emeleti páholyokban elszívott levegırészek pályája

37 5. A Mővészetek Palotája Bartók terem Cél: Az áramlási sebesség és a hımérséklet megoszlásának meghatározása

38 Az anemosztát sebességterének modellezése A numerikus háló Sebesség a szimmetriatengelyben

39 Hımérséklet és sebesség megoszlás egy, a földszinten ülı ember felületén és környezetében Sebességmegoszlás Hımérsékleteloszlás

40 A hangversenyterem modellezett hıforrásai Zöld cellák a nézıket és a lámpákat reprezentálják

41 Az áramlási tér a hangversenyteremben Az eredeti tervek szerint a lámpatartó felület nem légáteresztı Áramvonalak a hımérséklet ( C) szerint színezve

42 Hımérsékletmegoszlás a szimmetria síkban T állapot R állapot

43 Sebességmegoszlás a szimmetria síkban T állapot R állapot

44 Hımérsékletmegoszlás a nézıtéren T állapot R állapot

45 Sebességmegoszlás (m/s) a nézıtéren T állapot R állapot

46 6. Papp László Sportaréna Cél: Sebesség, hımérséklet, nedvességtartalom térbeli eloszlásának számítása, adott helyeken elıírt hımérséklet és sebesség biztosítása, tőz esetén a füst terjedésének meghatározása

47 Sportaréna belsı tér r modellje A nézıtér geometriai és 3D numerikus modellje Cellák száma , felbontás 2m Anemosztát elrendezés

48 Hımérsékletmegoszlás a felfőtés alatt 25 perces szimuláció

49 Az áramvonalak nyári állapotnál

50 Az áramlási sebesség megoszlása a 3D modellben

51 Hımérséklet megoszlás a nézıtéren

52 Nedvességtartalom eloszlás s a nézıtérenn A nézık által kibocsátott vízgız: g/s/fı

53 A jégpálya klímája egy sor lefelé irányított anemosztát esetén 15 C Áramvonalak Hımérsékletmegoszlás

54 A jégpálya klímája három sor lefelé irányított anemosztát esetén 20 C Áramvonalak Hımérséklet

55 A füst terjedése színpadtőz esetén 10 perces szimuláció Idıben növekvı alapterülető tőz.

56 A nézıtér különbözı részein kitörı tőzbıl származó füst terjedése CO 2 koncentráció megoszlás

57 Hımérséklet megoszlás tőz esetén T < 100 C

58 7. Gyógyszergyári helyiségek vizsgálata Cél: sebesség és hımérséklet megoszlás, levegı részek tartózkodási idejének számítása, szemcsék levegıbe kerülésének és pályájának meghatározása

59 Radiális kifúvású, pulzáló anemosztát vizsgálata 100 z [mm] mm 575mm 850mm V [m/s] Nagy turbulenciafok: 40% Az anemosztáttól távolodva mért sebességprofilok

60 A porszemcsék elragadásának vizsgálata A mérıtér kialakítás vázlata Porelhordási sebesség és kritikus fali csúsztatófeszültség mérése az áramlásba kerülı szemcsék detektálásával

61 Egy vizsgált helyiség és modellje tetraéder cella Peremfeltételek: befúvó és elszívó anemosztátok

62 Néhány számítási eredmény Sebességmegoszlás vízszintes függıleges síkban Az elszívó anemosztátokból visszafelé rajzolt áramvonalak Hımérséklet megoszlás Levegı részek tartózkodási ideje sík metszetben és térfogatban izo-felületek

63 A porszemcsék levegıbe kerülése és mozgása a helyiség terében Fali csúsztatófeszültség eloszlás a talajon és a berendezéseken 5,8 µm átmérıjő (1 mm/s süllyedési sebességő), levegıbe kerülı porszemcsék pályái

64 8. Uszodatechnikai alkalmazások Cél: vízben áramlási viszonyok, tartózkodási idı, hımérséklet, klórtartalom eloszlás számítása, élményelemek fejlesztése, légtérben hımérséklet, páratartalom megoszlás, pára kondenzáció meghatározása, párátlanítás,

65 Harkányi Gyógyfürdı III. medencéjének geometriai modellje és a peremfeltételek Padló elfolyó Bukóél túlfolyók Sugaras vízbevezetés (38 pontban) 40 m 30 m

66 A térbeli felbontás Cellaméret: 0,14 x 0,14 x 0,14 m 3 Cellaszám:

67 Az áramlás szerkezete a medencében 3 perc 36 perc 3,5 óra mg/liter Szabad aktív klór fogyása sec

68 Szabad aktív klór eloszlása mg/liter belépı kilépı medence minimum sec

69 A tartózkodási idı számítása mg/liter c = c 0 e t τ sec c ln c 0 t =τ

70 A fürdıvíz hımérséklet és a tartózkodási idı eloszlás Hımérséklet: C Tartózkodási idı: 2,6-4,5 óra

71 Beltéri medence légtér párásodásának vizsgálata Falak és vízfelszín hımérséklete Numerikus háló

72 A vízpára helyzete 1 perc 7.5 perc Idı: 23 perc Páramentesítı rendszer indítása után 7 perccel

73 Úszómedence ellenáramoltatóval

74 9. Üzemcsarnok szellızı rendszer áramlástani vizsgálata Cél: hımérséklet és sebességmegoszlás a jelenlegi állapotban és egy szellızési megoldás megvalósítása esetén

75 Elszívás modell Befúvók Tetınyílások Kemence

76 Metszısíkok helyzete y

77 Hımérséklet az 4. síkban a jelenlegi állapot esetén C

78 Sebesség az 4. síkban m/s

79 Légforgalom az ajtókon keresztül m/s

80 Hımérséklet a tervezett elrendezés esetén a 4. síkban C

81 Sebesség az 4. síkban m/s

82 Légforgalom az ajtókon keresztül m/s

83 10. Rooftop berendezés hıcserélıje elıtti térben kialakuló áramlás numerikus szimulációja Cél: Olyan áramlási viszonyok létrehozása, amelynél intenzív keveredéssel elkerülhetı a berendezés helyi fagyásveszély miatti rendszeres leállása

84 A rooftop berendezés és a keverıtér

85 Hımérséklet eloszlás függıleges síkban

86 Hımérséklet megoszlás a főtıkalorifer után

87 Hımérséklet eloszlás 0,55 m magasságban

88 Sebességmegoszlás a szimmetriasíkban

89 Sebesség eloszlás felülnézetben 0,55 m magasságban

90 A bebocsátásokból kiinduló áramvonalak hımérséklet szerint

91 Hımérsékleteloszlás a frisslevegı bebocsátások tengelyében

92 Hımérsékletmegoszlás a friss és a visszakeringetett levegı bebocsátások fölött

93 0 C hımérséklet izofelülete

94 A függıleges zsaluk hatása a levegısugarak keveredésére Vízszintes frisslevegı zsaluk Függıleges frisslevegı zsaluk

95 Hımérséklet megoszlás a főtıkalorifer után

96 Hımérséklet megoszlás a főtıkalorifer után

97 0 C hımérséklet izofelülete

98 Golf klub kiszolgáló tér vizsgálata Dubai Cél: a hımérséklet, áramlási sebesség és szennyezı koncentráció megoszlás meghatározása különbözı üzemmódokban

99 A geometriai modell és peremfeltételek Nyitott ajtók (zöld), elszívórendszer (piros), az alagút nyitott bejárata (sárga), elszívó ventilátorok (kör alakú nyílások a mennyezeten) Adatok: az egyes nyílások helye, átáramlás iránya, térfogatáram, hımérséklet, gáz összetétel, jármővek száma, kipufogó gáz Jellemzıi, üzemállapot változatok

100 Sebességtér a kiszolgáló térben Vízszintes metszetekben A üzemállapot B üzemállapot

101 Hımérséklet (felül) és kipufogógáz koncentráció (alul) eloszlás a kiszolgáló térben Vízszintes metszetek A üzemállapot B üzemállapot A üzemállapot B üzemállapot

102 12. Sebességek a metróállomáson két szerelvény érkezésekor

103 Alagúttőz szimulációja 50 MW hıteljesítmény 853 m, 3.2% lejtés, 59.6 m 2 keresztmetszet Modellreakció: gázolaj égése 3.05 m 4.72 m 4.72 m Memorial Tunnel FLUENT Inc.

104 Alagúttőz szimulációja FLUENT Inc.

105 Füst koncentráció az alagútban 20 seconds 40 seconds 60 seconds 80 seconds 100 seconds FLUENT Inc.

106 Szennyezık k terjedése épületekben Y 1 2 X Z Térfogat:1m 3 Óránkénti légcsere: 15/h Nyomgáz bevezetés 2 pontban: ajtóban, ajtó mellett leválási zónában BME Áramlástan Tanszék 2003

107 A koncentráci ció mérés s helyei és s módja m HÁTSÓ ALSÓ BAL FELSİ JOBB és 2. jelő gáz bevezetési pont ELSİ mintavételi pont, mintavétel a betáplálás kezdete után (2), 5 és 10 perccel BME Áramlástan Tanszék 2003

108 Az épület belsı tér r numerikus modellje 1. és 2. jelő gáz bevezetési pont modellezése cellák száma 246 ezer sebességvektorok az ajtó környezetében BME Áramlástan Tanszék 2003

109 Az 1. ponton belépı szennyezı terjedése a gáz terjedése (percenkénti megoszlások) koncentráció megoszlás a 2., 5. és a 10. perc végén BME Áramlástan Tanszék 2003

110 Mért és s számított koncentráci ciók C * = c * c * mért számított MÉRÉS (1) FORRÁS HELYE: A bejárattól 100mm-re az épületmodell középvonalában SZÁMÍTÁS (1) FORRÁS HELYE: A bejárattól 100mm-re az épületmodell középvonalában CH4 dimenziótlan koncentráció, c* [-] ,1 2 perc 5 perc 10 perc CH4 dimenziótlan koncentráció, c* [-] ,1 2 perc 5 perc 10 perc 0,01 0,01 0, , Mérési pont sorszám Mérési pont sorszám mérés számítás BME Áramlástan Tanszék 2003

111 SZENNYEZETTSÉG-CSÖKKENTÉS Légszennyezettség csökkentési lehetısége belvárosi mélygarázs építésénél 2. táblázat A vizsgált változatok Mélygarázs ki/behajtó rámpája

112 SZENNYEZETTSÉG-CSÖKKENTÉS Jelenlegi helyzet vizsgálata Éves átlag nitrogén-oxid koncentráció 2. táblázat A vizsgált változatok MISKAM szimuláció eredménye a mérıállomás helyén: KVVM mérıállomás: Hiba: 12% 116 µg/m3 133 µg/m3

113 SZENNYEZETTSÉG-CSÖKKENTÉS Csökkentés módja: A garázs szellızırendszere a levegı egy részét a legszennyezettebb területrıl szívja el. 2. táblázat A vizsgált változatok elszívás helye A szennyezett levegı eltávolításával és épületmagasság feletti kürtın való kifúvásával a téren a koncentráció enyhén (3-4%-kal) csökken. További lehetıségek: Stop&Go elkerülése forgalmi-rend változással (jelentıs emisszió csökkenés)

114 Sebességmegoszlás mélygarázsban

115 Tartózkodási idı megoszlás mélygarázsban

116 Sebességmegoszlás mélygarázsban

117 Sebességmegoszlás mélygarázsban

118 Hımérséklet megoszlás mélygarázsban tőz esetén

119 Hımérséklet megoszlás mélygarázsban tőz esetén

120 Hımérséklet megoszlás mélygarázsban tőz esetén