Áramlások numerikus szimulációja és néhány épületgépészeti alkalmazása 2008

Áramlások

Örvények

Gázturbina lapát érdesített hőtıcsatornája

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

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

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

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

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

Hımérséklet és sebességmegoszlás a padlók fölött 1,2 m magasságban

Komfortparaméter a padlók fölött 1,2 m magasságban dr = 0,62 ( 34 + 273 T) v 0,05 ( 0,37 v 40 + 3,13 )

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

Üvegfelületek termikus jellemzıi Hıátadási tényezı A belsı felület hımérséklete

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

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

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

Áramvonalak a friss levegı részaránya szerint színezve Főtılevegı rövid úton távozik

Frisslevegı részarányának kontúr ábrája

Hımérsékletmegoszlás

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

Áramvonalak

Sebességmegoszlás

Hıáramsőrőség az ablak felületén

Az ablak belsı hımérséklete Hidegen sugárzó felület nem alakul ki

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

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

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)

Hımérsékleteloszlás a klímahomlokzat belsı terében napsütéses idıben nyár óránkénti irodai légcsere 1 2 3 tél óránkénti irodai légcsere 1 2 3 0 légcseréhez képest - 49%

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

Benzinmotor katalizátor Úton gördülı kerék 1.5 Sebességmegoszlás 1 0.5 Cp [-] 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 ϕ [ ] -0.5-1 -1.5 Fackrell CFD k-omega CFD k-epsilon Numerikus Mérés szimuláció Mért és számított nyomásmegoszlás

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

A nézıtér geometriai modellje

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

A nézıket helyettesítı cellák (hıforrások)

A hımérséklet megoszlás a nézıtéren és a zenekari árokban

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

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

Az anemosztát sebességterének modellezése A numerikus háló Sebesség a szimmetriatengelyben

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

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

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

Hımérsékletmegoszlás a szimmetria síkban T állapot R állapot

Sebességmegoszlás a szimmetria síkban T állapot R állapot

Hımérsékletmegoszlás a nézıtéren T állapot R állapot

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

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

Sportaréna belsı tér r modellje A nézıtér geometriai és 3D numerikus modellje Cellák száma 339000, felbontás 2m Anemosztát elrendezés

Hımérsékletmegoszlás a felfőtés alatt 25 perces szimuláció

Az áramvonalak nyári állapotnál

Az áramlási sebesség megoszlása a 3D modellben

Hımérséklet megoszlás a nézıtéren

Nedvességtartalom eloszlás s a nézıtérenn A nézık által kibocsátott vízgız: 0.0187 g/s/fı

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

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

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

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

Hımérséklet megoszlás tőz esetén T < 100 C

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

Radiális kifúvású, pulzáló anemosztát vizsgálata 100 z [mm] 90 80 70 300mm 575mm 850mm 60 50 40 30 20 10 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 V [m/s] Nagy turbulenciafok: 40% Az anemosztáttól távolodva mért sebességprofilok

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

Egy vizsgált helyiség és modellje 1.050.000 tetraéder cella Peremfeltételek: befúvó és elszívó anemosztátok

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

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

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

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

A térbeli felbontás Cellaméret: 0,14 x 0,14 x 0,14 m 3 Cellaszám: 470 000

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

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

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

A fürdıvíz hımérséklet és a tartózkodási idı eloszlás Hımérséklet: 32 34 0 C Tartózkodási idı: 2,6-4,5 óra

Beltéri medence légtér párásodásának vizsgálata Falak és vízfelszín hımérséklete Numerikus háló

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

Úszómedence ellenáramoltatóval

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

Elszívás modell Befúvók Tetınyílások Kemence

Metszısíkok helyzete 5. 4. 3. 2. 1. y

Hımérséklet az 4. síkban a jelenlegi állapot esetén C

Sebesség az 4. síkban m/s

Légforgalom az ajtókon keresztül m/s

Hımérséklet a tervezett elrendezés esetén a 4. síkban C

Sebesség az 4. síkban m/s

Légforgalom az ajtókon keresztül m/s

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

A rooftop berendezés és a keverıtér

Hımérséklet eloszlás függıleges síkban

Hımérséklet megoszlás a főtıkalorifer után

Hımérséklet eloszlás 0,55 m magasságban

Sebességmegoszlás a szimmetriasíkban

Sebesség eloszlás felülnézetben 0,55 m magasságban

A bebocsátásokból kiinduló áramvonalak hımérséklet szerint

Hımérsékleteloszlás a frisslevegı bebocsátások tengelyében

Hımérsékletmegoszlás a friss és a visszakeringetett levegı bebocsátások fölött

0 C hımérséklet izofelülete

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

Hımérséklet megoszlás a főtıkalorifer után

0 C hımérséklet izofelülete

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

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

Sebességtér a kiszolgáló térben Vízszintes metszetekben A üzemállapot B üzemállapot

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

12. Sebességek a metróállomáson két szerelvény érkezésekor

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.

Alagúttőz szimulációja FLUENT Inc.

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

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

A koncentráci ció mérés s helyei és s módja m 8 7 9 75 0 500 6 250 HÁTSÓ 12 16 21 19 11 13 15 24 22 18 20 10 14 23 17 1 ALSÓ BAL FELSİ JOBB 100 1. és 2. jelő gáz bevezetési pont 4 1 3 2 ELSİ 1 2 250 24 mintavételi pont, mintavétel a betáplálás kezdete után (2), 5 és 10 perccel BME Áramlástan Tanszék 2003

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

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

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* [-] 10 1 0,1 2 perc 5 perc 10 perc CH4 dimenziótlan koncentráció, c* [-] 10 1 0,1 2 perc 5 perc 10 perc 0,01 0,01 0,001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 0,001 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Mérési pont sorszám Mérési pont sorszám mérés számítás BME Áramlástan Tanszék 2003

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

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

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)

Sebességmegoszlás mélygarázsban

Tartózkodási idı megoszlás mélygarázsban

Sebességmegoszlás mélygarázsban

Hımérséklet megoszlás mélygarázsban tőz esetén