PARAMETRICKÁ STUDIE PRŮBĚHU RYCHLOSTI PROUDĚNÍ V PULTOVÉ DVOUPLÁŠŤOVÉ PROVĚTRÁVANÉ STŘEŠE NA VSTUPNÍ RYCHLOSTI

20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012

SVSFEM s.r.o

PARAMETRICKÁ STUDIE PRŮBĚHU RYCHLOSTI PROUDĚNÍ V PULTOVÉ DVOUPLÁŠŤOVÉ PROVĚTRÁVANÉ STŘEŠE NA VSTUPNÍ RYCHLOSTI TOMÁŠ BARTOŠ, JAN PĚNČÍK Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Veveří 331/95, 602 00 Brno

Abstract: Studium proudění a jeho modelování je zaměřeno především na návrh dvouplášťových provětrávaných střech, které jsou v českých normách doporučovány pro budovy s vlhkým provozem. Pro modelování je využit program ANSYS [1], který využívá metodu CFD. Základním problémem návrhu provětrávaných dvouplášťových střech je navržení optimální tloušťky vzduchové mezery. Z prvních modelů bylo zjištěno, že minimální výška přiváděcího otvoru je 0,3 m, při menší výšce proud vzduchu nepronikne do vzduchové mezery, ale odrazí se od atiky a stočí se nad střechu. Ze studie vyplývá, že rychlost proudění v bodě uprostřed vzduchové mezery je v drtivé většině menší, než v přiváděcích a odváděcích otvorech. V tomto bodě také rychlost poměrně kolísá, oproti bodům v otvorech, v nichž je závislost rychlosti proudění na rychlosti větru poměrně stabilnější, viz Graf.1. Maximum rychlosti ve vzduchové mezeře nastává pro rychlost 14 m.s-1, a to 12.75 m.s-1. Keywords: dvouplášťové střechy, metoda CFD, rychlost proudění, větraná mezera 1

Úvod

Studium proudění a jeho modelování je zaměřeno na návrh dvouplášťových provětrávaných střech, které jsou v normách doporučovány pro budovy s vlhkým provozem. Pro modelování je využit program ANSYS [1], který pro analýzu využívá metodu CFD. Základním problémem návrhu provětrávaných dvouplášťových střech je navržení optimální tloušťky vzduchové mezery. Například v české normě ČSN 73 1901:1999 „Navrhování střech - Základní ustanovení" je uvedeno, že minimální tloušťka větrané vzduchové vrstvy, určené pro odvod vodní páry difundující do střešní konstrukce, je při sklonu střešního pláště do 5° (8.75%) minimálně 100 mm pro střechu s délkou do 10 m. Pro odvod vody technologické a zabudované do konstrukce je minimální tloušťka vrstvy 250 mm pro střechu do 10 m délky. Tyto předpoklady zahrnují vliv tepelně technických vlastností dolního pláště, atiky a horního pláště střechy. Tudíž větrání probíhá i za bezvětří díky komínovému efektu. Plocha přiváděcích otvorů by měla odpovídat minimálně 1/400 plochy střechy, odváděcí otvory pak o 10% větší. 2

Výpočtový model

Pro studii závislosti rychlosti proudění vzduchu ve vzduchové mezeře dvouplášťové střechy byla zvolena pultová střecha; zkoumané body byly umístěny do přiváděcího otvoru (bod A), do středu vzduchové mezery (bod B) a do odváděcího otvoru (bod C, viz. Obr.2.). Směr proudění vzduchu probíhá v kladném směru souřadnicové osy x, a nabývá hodnot 1 m.s-1 až 20 m.s-1, tj. 3.6 km.h-1 až 72 km.h-1. Výsledný model pevné překážky (tedy zkoumaného objektu) má celkovou výšku 11.3 m a délku 16 m. Okrajové podmínky byly zvoleny tak, že na vstupní straně (inlet) má vítr počáteční rychlost 0 až 20 m.s-1, na horní straně výpočtového modelu je nulová rychlost ve směru souřadnicové osy y, na výstupní straně (outlet) je nulový tlak, a na spodní hraně a všech obvodových liniích překážky jsou rychlosti Vx a Vy nulové.

http://aum.svsfem.cz

1


SVSFEM s.r.o

K popisu proudění je použit standardní k-ε model turbulence, při výpočtu byly uvažovány materiálové charakteristiky vzduchu: hustota ρ=1,205 kg.m-3, kinematická vazkost v=15.0∙106 m2.s-1.

50m

p = 0 Pa

Vx = 0 až 20 m.s

-1

Vy= 0 m.s-1

Vx = 0 m.s-1, Vy = 0 m.s-1 60m

14m

60m

Obrázek 1 - Výpočtový model a okrajové podmínky

Obrázek 2 - Umístění bodů, ve kterých je zjišťována rychlost proudění vzduchu

3

Postup výpočtu

První studie, zjištění minimální tloušťky vzduchové mezery, byla nejprve provedena pro výšku přiváděcího otvoru 200 mm, posléze pro 300 mm. Pro tuto studii byly zvoleny rychlosti vzduchu 5, 10, 15, 20 m.s-1. http://aum.svsfem.cz

2


SVSFEM s.r.o

Druhá parametrická studie - analýza metodou CFD byla provedena pro rychlosti 1 až 20 m.s-1, vždy s krokem 1 m.s-1. Analýzy byly provedeny pro objekt s výškou větrané mezery 300 mm. Z každé jednotlivé analýzy byly určeny a zaznamenány tři hodnoty rychlostí (viz. Tab.1.). 4

Výsledky

Po provedení simulací průběhu proudění byly zjištěny tři hodnoty rychlostí ve sledovaných bodech (pevně stanovených uzlech) pro každou vstupní rychlost 1 až 20 m.s-1. V tabulce jsou barevně zvýrazněny maximální a minimální hodnoty. Na obrázcích 4 až 9 je porovnán průběh rychlostí Vsum pro rychlosti Vx= 5 a 17 m.s-1. Tyto rychlosti byly vybrány z důvodu názornosti polohy maxima Vsum.

Obrázek 4 - Průběh rychlosti Vsum pro vstupní rychlost Vx= 5 m.s-1

Obrázek 5 – Průběh proudění v místě přiváděcího a odváděcího otvoru -1 (pro vstupní rychlost Vx= 5 m.s )


3


SVSFEM s.r.o

Obrázek 6 – Průběh rychlosti Vsum pro vstupní rychlost Vx= 17 m.s-1

Obrázek 7 - Průběh proudění v místě přiváděcího a odváděcího otvoru -1 (pro vstupní rychlost Vx= 17 m.s )

Obrázky 4 a 6 dokumentují vliv vstupní rychlosti na rozložení pole rychlostí vzduchu Vsum. Z obrázku 4 vyplývá, že oblast s maximální rychlostí se pohybuje nad okrajem horního pláště na straně přiváděcího otvoru, při vyšších rychlostech se maximum pohybuje směrem k odváděcímu otvoru (Obrázek 6). 5

Zhodnocení

Z prvních modelů bylo zjištěno, že minimální výška přiváděcího otvoru je 0,3 m, při menší výšce proud vzduchu způsobený větrem nepronikne do vzduchové mezery, ale odrazí se od atiky a stočí se nad střechu. Ze studie vyplývá, že rychlost proudění v bodě uprostřed vzduchové mezery je v drtivé většině menší, než v přiváděcích a odváděcích otvorech. V tomto bodě také


4


SVSFEM s.r.o

rychlost poměrně kolísá, oproti bodům v otvorech, v nichž je závislost rychlosti proudění na rychlosti větru poměrně stabilnější, viz Graf 1. Maximum rychlosti ve vzduchové mezeře nastává pro rychlost 14 m.s-1, a to 12,75 m.s-1.

-1

-1

Obrázek 8 - Porovnání proudnic uvnitř vzduchové mezery při 5 m.s a 17 m.s

Z analýzy vyplynuly tři kombinace popsané v Tabulka 1 jako I, II, III. Nejčastěji se vyskytující je kombinace I, konkrétně v 15-ti případech. V této kombinaci nabývá rychlost maximálních hodnot v odváděcím otvoru. Minimální hodnoty rychlosti jsou pak v bodě uprostřed dutiny. Ve třech případech (II) má rychlost maximální hodnoty v přiváděcím otvoru a minimální v mezeře. Pouze ve dvou případech (III) je rychlost vzduchu v mezeře větší, než v přiváděcím otvoru. Tabulka 1 Výsledky rychlost Vx [m.s-1]

rychlost Vsum přiváděcí otvor

bod v mezeře

odváděcí otvor

1

0,75317

0,26272

1,04514

I

2

1,80195

0,26699

1,60415

II

3

4,60814

0,62467

5,27084

I

4

5,57763

0,67770

6,15392

I

5

6,66012

0,90447

7,28555

I

6

7,31886

1,71301

8,31176

I

7

8,65146

2,73901

9,29120

I

8

8,88524

4,08399

10,24299

I

9

7,81994

1,19985

7,00714

II

10

7,08890

2,54019

8,55631

I

11

8,08725

7,97315

10,25253

I

12

8,50415

3,04990

10,26602

I

13

9,47239

7,65167

12,52798

I

14

12,32121

12,75146

15,31004

III

15

11,50827

12,72782

15,90311

III

16

13,97538

10,14023

19,47644

I

17

13,22359

10,66820

17,94950

I

18

15,17159

11,07827

20,42625

I

19

14,83043

8,67031

20,85277

I

20

20,54643

6,40068

18,11052

II


5


SVSFEM s.r.o

Graf 1 Výsledky

Literatura [1] ANSYS, Inc. 14. [2] ČSN EN 1991-1-4:2007 Zatížení konstrukcí - Část 1-4 - Obecná zatížení - Zatížení větrem. Praha: ÚNM [3] ČSN 73 1901:1999 „Navrhování střech - Základní ustanovení" Poděkování Příspěvek vznikl s pomocí projektu specifického výzkumu řešeného na na FAST VUT v Brně. Registrační číslo projektu je FAST-S-12-20/1650. Kontaktní adresa: Ing. Tomáš Bartoš Vysoké učení technické, Fakulta stavební, Veveří 331/95, 602 00 Brno Ing. Jan Pěnčík, PhD. Vysoké učení technické, Fakulta stavební, Veveří 331/95, 602 00 Brno


6

PARAMETRICKÁ STUDIE PRŮBĚHU RYCHLOSTI PROUDĚNÍ V PULTOVÉ DVOUPLÁŠŤOVÉ PROVĚTRÁVANÉ STŘEŠE NA VSTUPNÍ RYCHLOSTI

Recommend Documents