Verifikace výsledků CFD simulace laboratorním měřením

Vysoké učení technické v Brně Fakulta stavební Studentská vědecká a odborná činnost Akademický rok 2007/2008

Verifikace výsledků CFD simulace laboratorním měřením

Jméno a příjmení studenta :

Zbyněk Děckuláček

Ročník, obor :

5. ročník, obor TZB

Vedoucí práce :

Ing. Ondřej Šikula, Ph.D.

Katedra :

Ústav technických zařízení budov

SVOČ 2008 VERIFIKACE VÝSLEDKŮ CFD SIMULACE LABORATORNÍM MĚŘENÍM

Obsah: Anotace .............................................................................................................. - 3 Proudění vzduchu ve větraném prostoru............................................................ - 3 Přilnutí proudu ke stropu .................................................................................... - 4 Konstrukce vyústek ............................................................................................ - 4 Obrazy proudění................................................................................................. - 5 Proud z radiálních vyústí osazených ve stropě. Pro 0,5 <x/y<1,5 ...................... - 5 Koncové prvky větracích a klimatizačních zařízení ............................................ - 6 Vyústky s vířivým účinkem ................................................................................. - 7 Vířivá vyúsť Schako DQJ ................................................................................... - 7 Popis modelu...................................................................................................... - 9 Měření základních charakteristických veličin proudícího vzduchu v místnosti.... - 9 Metodika měření............................................................................................... - 10 Výsledky měření............................................................................................... - 11 Popis počítačového modelu ............................................................................. - 14 Výstupy z počítačových simulací...................................................................... - 16 Zjištěné poznatky ............................................................................................. - 18 Srovnání výsledků a závěr ............................................................................... - 19 Poděkování ...................................................................................................... - 19 Použitá literatura .............................................................................................. - 20 -

Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] -2-


Anotace Práce spadá do oblasti tvorby interního mikroklima obytných a občanských budov vzduchotechnikou, kde rozhodujícími prvky vzduchotechnické soustavy pro tvorbu vnitřního klima budov jsou přívodní elementy. Díky rozvoji výpočetní techniky se k predikci podstatných mikroklimatických veličin tepelně-vlhkostního mikroklimatu, stále více využívá metody CFD simulace. Tato práce si klade za cíl kontrolním měřením v reálném prostředí ověřit výstupy CFD simulace provedené na jeho geometricko-fyzikálním modelu pro shodné okrajové podmínky. Experimentální ověřování má nejen význam ve validaci CFD simulace, ale lze jím také optimalizovat CFD model a tím urychlit a zjednodušit práci při řešení obdobných problémů v praxi. Závěry této práce mohou obecně přispět ke zvýšení důvěryhodnosti počítačových simulací u investorů a jsou také využitelné při řešení konkrétních projektů.

Proudění vzduchu ve větraném prostoru Cílem použití větracích a klimatizačních zařízení je vytvořit určitý definovaný stav prostředí ve vymezené oblasti prostoru. V občanských budovách to bývá většinou tzv. oblast pobytu lidí, tj. část obestavěného prostoru 1,5 až 2,0 m nad podlahou, v níž se zdržují lidé. Protože tvorba prostředí větráním a klimatizací se uskutečňuje transportem upraveného vzduchu do větraného prostoru, je nutné dbát zákonitostí proudění vzduchu ve větraném prostoru a v kanálech, kterými se vzduch do větraných prostor přivádí. Splnění požadavků, které jsou kladeny na větrání a klimatizaci, závisí na řešení a funkci rozvodů vzduchu ve větraném prostoru. Při celkové výměně vzduchu je zapotřebí zabezpečit požadovaný stav vzduchu především v pracovní oblasti (teplota, čistota, rychlost proudění, atd.). Obrazy proudění, to znamená charakter pohybu vzduchu v prostoru, určují především proudy z přívodních vyústek, přičemž spolupůsobí rovněž konvektivní proudy teplého nebo chladného vzduchu. Vliv odsávacích otvorů je zanedbatelný, protože dosah jejich působení je malý. Dotvářejí však celkový obraz proudění v řešeném prostoru. U komfortních zařízení považujeme rozvod vzduchu za vyhovující, pokud rozdíl teplot v pásmu pobytu lidí nepřekročí 1 k a rychlost proudění je v požadované hranici podle činnosti lidí v prostoru. Rychlost proudění vzduchu v pásmu pobytu lidí souvisí s ostatními veličinami, které mají rozhodující vliv na tepelnou pohodu prostředí. Teoretická analýza pohybu vzduchu vystupujícího z otvoru do neohraničeného prostoru se odvíjí z teorie volného proudu, kterou v roce 1936 vypracoval G. N. Abramovič. Studium proudění vzduchu v uzavřeném prostoru tvoří základní požadavek pro získání podkladů pro navrhování efektivního větracího zařízení. Na pohyb vzduchu ve skutečných místnostech mají kromě hybnosti přiváděného vzduchu vliv i gravitační síly (rozdíl teplot), pohyb lidí a předmětů. Celkový obraz proudění ovlivňuje také geometrie místnosti. Analytické vyjádření těchto zákonitostí je složité a k jeho studiu se často používají modelová pozorování. [5] Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] -3-


Pohyb vzduchu ve větraném prostoru je vyvolán proudy přiváděného vzduchu z vyústek. Struktura proudu z vyústek je turbulentní při Re0 > 2000. Turbulencí je do proudu strháván klidný vzduch z okolí. Stržené částice musí být nahrazovány z volného prostoru. Účinkem proudu vzniká malé, avšak nezanedbatelné proudění směrem k proudu vzduchu. Proudem vyvolané tlakové rozdíly jsou malé. Vzniklé tlakové síly jsou však zdrojem výrazných deformací proudu z vyústek, které se šíří blízko stěn. Způsobují např. vzájemnou interakci – spojení paralelních proudů a přilnutí proudu ke stěnám (Coandův jev). Teoretický výpočet rychlostního pole v proudu z vyústky naráží na obecné potíže řešení turbulentního proudění viskózní kapaliny. Pro turbulentní viskozitu, která není fyzikální konstantou, je třeba použít některý z modelů turbulence. Určité výsledky přináší užití počítačů, které umožňuje řešení rychlostních polí při rovinném , ale i prostorovém řešení proudění. Pro projekční praxi se ovšem nejvíce využívají poloempirické řešení úloh založené na experimentálních výsledcích. [1]

Přilnutí proudu ke stropu Izotermní proud vzduchu, přiváděného blízko stropu a stěn místnosti k nim přilne účinkem tlakových sil (Coandův jev) v případě, že: - vyústka je těsně u stropu a úhel odklonu proudu od stěny je menší než 40°, - proud vystupuje rovnoběžně se stropem a vzdálenost vyústky je malá, u hladkého stropu menší než 0,2 výšky místnosti. Proudí-li vzduch z vyústky pod stropem, napříč vyčnívajícím nosným trámům nebo rozměrných vystupujících osvětlovacím tělesům, odtrhne se proud od stropu a odkloní se směrem dolů. pokles rychlosti pod stropem je rychlejší, než při prouděním pod hladkým stropem. Po odtržení se šíří proud volný. Když dospěje proud podél stropu k protilehlé stěně (je-li vzdálenost k protilehlé stěně větší než dosah proudu), změní směr. Přeměnou dynamického tlaku na statický se změní monotónní průběh poklesu rychlosti. Za ohybem klesá rychlost rychleji. Přemění se rovněž tvar proudu – plochý přejde v polokruhový a rychlost v něm klesá úměrně 1/x. K podobnému průběhu dojde i po střetnutí dvou proudů, vyfukovaných pod stropem proti sobě po jejich odklonění směrem k podlaze. [1]

Konstrukce vyústek Rozvod vzduchu ve VZT systému je zakončen vyústkami příp. koncovými distribučními elementy. vyústky jsou konstruovány buď k výhradnímu použití do stropu, do stěn, do podlahy či parapetu, volně do prostoru, nebo mají univerzálnější použití. Vyústky k přívodu vzduchu mají mít možnost regulovat průtok a upravovat konstantu vyústky a to nezávisle na sobě. U vyústek k odvodu vzduchu nemá zařízení k úpravě konstanty vyústky použití. V dnešní době disponuje trh širokou škálou typů a příslušenství distribučních elementů, o nichž se dozvíme z informačních materiálů jednotlivých výrobců. [1]



Obrazy proudění Pohyb vzduchu ve větraném prostoru určuje především druh, počet, umístění a velikost přiváděcích elementů, dále rychlost a teplota přiváděného vzduchu a spolupodílejí se zdroje tepla a chladu mohutností konvekčních proudů a jejich rozmístěním. Návrh umístění vyústek vyžaduje individuální posouzení každého konkrétního případu. Základním požadavkem je přívod venkovního vzduchu do pracovní oblasti (pásma pobytu lidí). U teplovzdušného větrání a zejména při klimatizaci, kdy teplota přiváděného vzduchu je o pracovní rozdíl teplot Δt0 jiná než v místnosti, musí být dostatečně dlouhá dráha primárních proudů, aby se teploty vyrovnaly na přijatelnou hodnotu. Přitom spolu s vyrovnáváním teplot se vyrovnávají také koncentrace škodlivin a čerstvý vzduch se jimi znehodnocuje. Při hledání kompromisních řešení těchto protichůdných požadavků je třeba dát přednost řešení, které zajistí větší čistotu vzduchu v dané pracovní oblasti. Protože Δt0 určuje velikost zařízení, spolupodílí se návrh obrazu proudění na hospodárnosti projektu. Vzduchotechnicky nejvhodnější řešení nelze však často realizovat pro stavební nebo architektonické důvody. Návrh distribuční soustavy musí vyhovovat při letním i při zimním provozu. Umístění odváděcích vyústek nemá na obrazy proudění podstatný vliv. Je účelné zabránit případům, kdy je čerstvý vzduch odveden z místnosti dřív, než prošel pracovní oblastí (tzv. zkratům) a umísťovat je do míst zvýšené koncentrace škodlivin. [1]

Proud z radiálních vyústí osazených ve stropě. Pro 0,5 <x/y<1,5

(

)

wh = wm x L / K A K M 2 Ah , Δt m = Δt 0 K T K M 2 Ah / x L kde Ah je průřez hrdla anemostatu a wh je rychlost v hrdle. [1]



Koncové prvky větracích a klimatizačních zařízení Koncové prvky jsou součástí distribuční sítě a plní funkci finální distribuce přiváděného vzduchu do interiéru. V případě odvodních koncových elementů je to jímání odvodního vzduchu. Koncové prvky dělíme na: Distribuční prvky: vyústky, anemostaty, štěrbinové vyústky, podlahové a stěnové mřížky, perforované stropy, dýzy, vyústky s vířivým účinkem, velkoplošné vyústky a jiné Nasávací a výfukové prvky: protidešťové žaluzie, mřížky, výfukové hlavice, stříšky Indukční jednotky Distribuční prvky mají nezastupitelnou funkci v celém souboru elementů. Jsou koncovým prvkem sítě a na jejich návrhu závisí správná funkce celého vzduchotechnického systému. Přívodní vyústky mají rozhodující vliv na proudění vzduchu v místnosti, na pole teplot a koncentrace škodlivin. Určují tedy obraz proudění a ovlivňují pocit pohody pro osoby pobývající v dané místnosti. Vhodné vyústky pro přívod vzduchu jsou vyústky nastavitelné, s možností regulace průtoku a s možností úpravy konstanty vyústky, regulovatelné s přizpůsobením směru výtoku změně teploty přiváděného vzduchu Také umístění odvodních vyústek má značný vliv na správnou funkčnost. Nesprávným umístěním by mohl nastat zkrat – odvod vzduchu přiváděného do prostoru bez prostupu přes pracovní oblast. Vzájemná poloha umístění přívodních a odvodních vyústek určuje ve větraném prostoru způsob proudění vzduchu tzv. obraz proudění. Při návrhu obrazu proudění je třeba respektovat geometrický tvar větrané místnosti, provoz a také dispoziční konstrukční návaznosti na ostatní profese. Výrobci distribučních prvků přikládají ke svým výrobkům jejich aerodynamickou charakteristiku, podle níž může projektant navrhnout správný typ vyústky a parametry přiváděného vzduchu. Při požadavcích na omezování hluku je třeba brát v potaz rychlost proudění vzduchu přes vyústku a proto se doporučuje dodržovat maximální rychlosti, které jsou závislé na účelu místnosti, ve kterém jsou koncové elementy umístěny [4]. Účel místnosti

Rychlost proudění vzduchu přes vyústku [m/s] Rozhlasová a televizní studia 1,5 – 2 Obytné místnosti, hotelové pokoje, divadla 2,5 – 4 Kina 3–5 Administrativní budovy, obchodní domy 5–6 Průmyslové provozy 7,5 – 10 Přívod vzduchu pod sedadly – v podlaze 0,1 – 0,3 Při přívodu vzduchu do zóny lidí obvykle nepřekračuje rychlost 0,5 m/s



Vyústky s vířivým účinkem Vyústky s vířivým účinkem se vyrábí ve dvou variantách a to buď s nastavitelnými lamelami a nebo s lamelami pevnými. Používají se do prostorů se světlou výškou 2,6 až 6 m. Zabezpečují intenzivní míchání přiváděného vzduchu se vzduchem v prostoru, čímž zabezpečují malý teplotní rozdíl v jednotlivých místech větraného prostoru. Pomocí nastavení sklonu lamel můžeme ovlivňovat směr proudění z vyústky jako horizontální, vertikální nebo šikmý. Naklonění lamel lze provádět motoricky nebo ručně. Těchto vlastností lze využit v prostorách s rozdílnou teplotní zátěží. Chladný a teplý proud vzduchu se v důsledku rozdílné hustoty chová jinak než proud vzduchu izotermický. Chladný vzduch rychle klesá dolu, takže v pobytové oblasti vzniká pocit průvanu. Naproti tomu může teplý vzduch zůstávat pod stropem, čímž nedochází k vytápění pobytové oblasti. Oba případy jsou vzhledem ke kvalitě prostředí v pobytové oblasti nepřípustné a vyústky s vířivým účinkem odstraňují tyto nevýhody potřebnou změnou úhlu výfukového proudu. Konstrukce vyústek může být s čelní deskou ve tvaru čtverce nebo kruhu. Montují se do mezistropu, volného prostoru na strop nebo mezi strop a perforovaný podhled. Připojení na distribuční síť se provádí pomocí flexibilních hadic a to na krabici vyústky horizontálně nebo vertikálně. [5]

Vířivá vyúsť Schako DQJ Popis výrobku: Jedná se o vyúsť standardně montovanou do podhledů, kdy je připojovací část skrytá za podhledem a do podhledu vyčnívá pouze čelní deska. Tato vyúsť je vhodná pro komfortní prostředí s větší výměnou vzduchu. Oproti běžným vyústkám je vybavena nastavitelnými lamelami, které umožňují usměrňování proudění vzduchu, čehož se využívá v případech, kdy se mohou v cestě proudu vzduchu vyskytovat nějaké překážky. Manipulací s lamely můžeme paprsek vzduchu otočit od vertikálního až k horizontálnímu směru. Podrobnější informace znázorňují následující obrázky.

Obr. 1 - Schéma vířivé vyústi Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] -7-


Obr. 2 - Možnosti uspořádání čelní desky

Obr. 3 - Nastavení lamel čelní desky a vliv na proudění

[6]



Obr. 4 - Zobrazení čelní desky použitého typu vířivé vyústi

Popis modelu Pro účely této práce bylo nutné vytvořit model, který by umožňoval zkoumání sledovaného problému. Pomocí počítače a softwarových možností je možné vytvořit téměř jakýkoliv prostor a proto se výběr modelu odvíjí od reálných možností. Pro práci je tedy jako model využita před časem dokončená laboratoř Ústavu technických zařízení budov fakulty stavební VUT v Brně. Jedná se o místnost přibližně obdélníkového půdorysu. Tato místnost je vybavena různými distribučnímu elementy, z nichž byla pro tuto práci vybrána vířivá vyúsť Schako. Pro dotvoření modelu bylo potřeba v této místnosti pomocí drobných úprav doplnit plochu podhledu a vytvořit zástěnu, která nahrazuje překážku (v reálném prostředí např. stěna). Podrobnější informace o modelu dle schématu v příloze č. 1.

Měření základních charakteristických veličin proudícího vzduchu v místnosti Podmínky měření: datum: 14.1. 2008 izotermní stav cirkulační provoz VZT jednotky množství přiváděného vzduchu Vp= 600 m3/h množství odváděného vzduchu Vo= 600 m3/h teplota exteriéru: 4°C atmosférický tlak: 101,0 kPa relativní vlhkost vzduchu: 86,2% Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] -9-


Měřící přístroje: základní jednotka – Testo 454 záznamník pro shromažďování dat databus– Testo 454 sonda pohody prostředí pro měření rychlosti a teploty - Testo třífunkční sonda pro současné měření teploty, vlhkosti a proudění s násuvnou hlavou - Testo Měřený výrobek: vířivá vyúsť firmy Schako typ DQJA – SR – Z – 600x600

Metodika měření Měření probíhá za konstantních podmínek v laboratoři TZB. Provoz VZT systému zajišťuje vzduchotechnická jednotka. Provoz jednotky je zapojen jako cirkulační. K přivádění vzduchu je využita pouze vířivá vyúsť Schako umístěna v podhledu uprostřed místnosti. Jako odváděcí otvory jsou využity čtyřhranné vyústky zabudované v podhledu po stranách místnosti. V laboratoři je umístěna zástěna, která nahrazuje překážku. Tato zástěna je umístěna tak, aby vířivá vyúsť byla uprostřed zástěny. Pro měření zkoumaných veličin je podstatná oblast s největšími gradienty těchto veličin. Proto je v oblasti pod podhledem a podél zástěny vytvořena síť měřících bodů viz obr. 6. Protože je měření rychlosti proudění prováděno pomocí turbulentních sond, které svou konstrukcí neumožňují měření těsně u stropu či stěny, jsou měřící body nejblíže 55 mm od těchto ploch. Kontrola stacionárních podmínek je prováděna pomocí měření tří veličin v kontrolním bodě. Jedná se o měření relativní vlhkosti, rychlosti proudění a teploty multifunkční sondou. Kontrolní bod je umístěn ve výšce pracovní oblasti sedících osob 1,2 m od podlahy pod středem vyústi.

Obr. 5 - Nastavení ovládacího dialogu VZT jednotky Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] - 10 -


Obr. 6 - Schéma umístění měřících bodů

Výsledky měření

Graf č. 1 - Průběh relativní vlhkosti vzduchu v kontrolním bodě Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] - 11 -


Graf č. 2 - Průběh teploty v kontrolním bodě

Graf č. 3 - Průběh rychlosti proudění v kontrolním bodě

Měření v kontrolním bodě pomocí multifunkční sondy má prokázat, že během celého měření jsou konstantní podmínky. Relativní vlhkost se během celého měření pohybuje v rozmezí 34 – 36,5 %, teplota vzduchu v místnosti je od 23,1 - 23,6°C rychlost proudění se pohybuje v rozmezí 0 - 0,15 m/s. Z výše uvedených výsledků lze konstatovat, že měření probíhá za stacionárních a izotermních podmínek. Proto je možné pomocí měření rychlostí v jednotlivých bodech postupně vytvořit obraz proudění sestavením naměřených hodnot do grafu. Rychlost proudění vzduchu v libovolném bodě v nějakém prostoru kolísá s časem a doporučuje se výchylky rychlosti zaznamenávat. Proud vzduchu lze popsat průměrnou rychlostí va, která je definována jako průměr rychlosti v nějakém časovém intervalu (doba měření) a směrodatné odchylky rychlosti SD dané rovnicí: 1 n ∑ (v a − v a ) 2 n − 1 i =1 i Kde v ai je rychlost v čase „i“ doby měření SD =

Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] - 12 -


Intenzita turbulence TU vzduchového toku je definována jako směrodatná odchylka dělená průměrnou rychlostí a obvykle se vyjadřuje v procentech. SD × 100 TU = va [7]

[m/s] Graf č. 4 - Rozložení rychlostí proudění v řezu vyústkou

Souřadnice osy y [mm]

Souřadnice osy x [mm] 55 155 205 305 405 505 605 705 805

0 0,25 0,37 0,29 0,37 0,29 0,32 0,32 0,34 0,29

100 0,43 0,37 0,24 0,21 0,19 0,19 0,23 0,24 0,27

200 0,55 0,37 0,2 0,2 0,22 0,18 0,22 0,23 0,18

300 0,62 0,34 0,19 0,17 0,21 0,23 0,23 0,25 0,2

400 0,61 0,37 0,21 0,17 0,21 0,25 0,21 0,23 0,2

1000 1,41 0,24 0,17 0,18 0,04 0,08 0,05 0,08 0,05

1100 1,12 0,19 0,18 0,21 0,05 0,12 0,04 0,07 0,04

1200 0,46 0,2 0,08 0,13 0,04 0,05 0,03 0,06 0,03

1300 0,2 0,12 0,06 0,11 0,04 0,07 0,04 0,06 0,03

1400 0,06 0,08 0,04 0,09 0,03 0,05 0,04 0,06 0,03

1465 0,06 0,08 0,04 0,09 0,03 0,05 0,04 0,06 0,03

905

0,33

0,3

0,17

0,2

0,21 0,22 0,19 0,15 0,13 0,11 0,07

0,07

0,07

0,07

0,07

0,07

1005 0,28 0,25 0,23 0,23

0,2

500 0,86 0,51 0,2 0,18 0,19 0,21 0,21 0,24 0,19 0,19

600 0,9 0,69 0,25 0,21 0,16 0,16 0,19 0,19 0,18 0,2

700 1,21 0,65 0,28 0,21 0,16 0,18 0,14 0,16 0,18 0,15

800 1,32 0,6 0,27 0,17 0,12 0,14 0,11 0,15 0,11 0,1

900 1,73 0,48 0,23 0,2 0,06 0,1 0,08 0,12 0,05 0,06

1105 0,27 0,27 0,25 0,24 0,21 0,22 0,21 0,18 0,16 0,15 1205 0,28 0,24 0,19 0,21 0,23 0,23 0,23 0,19 0,14 0,15 1305 0,28 0,21 0,21 0,23 0,24 0,25 0,26 0,26 0,25

Neměřená oblast, hodnoty rychlosti v této oblasti se blíží 0

0,2

Tabulka č. 1 - Naměřené hodnoty rychlostí proudění v bodech měřící sítě



Graf č. 5 - Rozložení intenzity turbulence v řezu vyústkou (absolutní hodnota)

Po zpracování naměřených hodnot byl vytvořen plošný graf, který v našem případě představuje obraz proudění vířivou výustí. Rovina řezu prochází středem vířivé vyústi. Nejvyšší rychlosti proudění se vyskytují na lamelách distribučního prvku a v jeho nejbližší blízkosti. S odstupem vzdálenosti tyto rychlosti postupně klesají. Většina přiváděného vzduchu po vniknutí do větraného prostoru vlivem Coandova efektu přilne ke stropu a dále proudí do místnosti podél stavební konstrukce. Po střetu se zástěnou se proud odkloní podél zástěny směrem dole. Protože přiváděný vzduch proudí relativně vysokou rychlostí od krajů vyústi dochází k indukci vzduchu z místnosti pod středem vyústi a k míšení přiváděného vzduchu se vzduchem znehodnoceným v místnosti.

Popis počítačového modelu Jako prostředek pro tvorbu počítačového modelu slouží CFD software Flovent 6.1. Proudění je řešeno jako třírozměrné a stacionární. Metodou kontrolních objemů jsou řešeny rovnice hybnosti, zachování energie, Navier-Stokesovy a další. Počítačový model řešeného příkladu vychází z reálného modelu laboratoři, která byla dle podkladů a měření geometrie místnosti v programu vytvořena. V softwaru je možné vytvořit téměř jakýkoliv prostor. Protože použitý software využívá síť složenou z hranolů je potřeba veškeré zaoblené plochy a plochy nakloněné od souřadného systému nahradit jiným vhodným prvkem nebo rozložit na více prvků. V reálném prostředí se běžně vyskytuje mnoho geometrických prvků (nábytek, stavební konstrukce, nerovnosti...) a proto je důležité se zamyslet, jaký mají jednotlivé diskontinuity význam pro zkoumanou veličinu a prvky způsobující malou nebo nedůležitou odchylku zanedbat. V řešeném modelu se snažíme dosáhnout shody s reálným modelem a proto je většina těchto prvků zapracována do modelu. Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] - 14 -


Zkoumaná oblast leží v prostoru ohraničeném zástěnou a podhledem. Zobrazení modelu laboratoře je znázorněno na obr. č. 7. Tento model a v něm aplikované zadání odpovídá zvoleným hodnotám v reálném modelu. Podstatou CFD softwaru je vypočet zkoumaných veličin v diskretizovaném prostoru na mnoho buněk. Pro přesnější výpočet je tedy vhodné v oblastech dějů mřížku více zhustit. V našem případě je zhuštění provedeno v místech, kde proudění dosahuje nejvyšších rychlostí a to v prostoru zástěny a také pod odvodními vyústkami. Aby nedocházelo ke skokovým přechodům z oblastí s velkou hustotou do oblastí s menší hustotou mřížky (mohlo by vést k divergenci výpočtů) jsou v sousedství regionů s hustší mřížkou vytvořeny přechodové oblasti. Celkový počet buněk modelu je 1 514 000. Pro řešení tohoto modelu je zvolen k-ε model turbulence.

Odvodní vyústky

Vířivá vyúsť

Ohraničený vnitřní zkoumaný prostor

Obr. 7 – Geometrie místnosti laboratoře proudění ústavu TZB v prostředí softwaru Flovent



Výstupy z počítačových simulací

Obr. 8 – Zobrazení rozložení rychlostí proudění v řezu vířivou vyústí

Obr. 9 – Zobrazení rozložení rychlostí proudění v půdorysném pohledu ve výšce 2,42 m od podlahy (odpovídá souřadnici y = 80 mm od stropu) Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] - 16 -


Obr. 10 – Zobrazení rozložení rychlostí proudění v půdorysném pohledu ve výšce 2,42 m od podlahy pomocí vektorů (odpovídá souřadnici y = 80 mm od stropu)

Obr. 11 – Zobrazení rozložení rychlostí proudění v prostoru laboratoře pomocí trajektorií proudění vzduchu Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] - 17 -


Zjištěné poznatky Klíčový prvek pro správné řešení je jednoznačně tvorba modelového zpracování vířivé vyústi. Program umožňuje dvě řešení. První možnost spočívá v nahrazení vířivé vyústi blokem nazývaným v programu jako swirl. Jedná se o jednoduchý prvek základní nabídky v softwaru, do jehož dialogového okna lze definovat hlavní vlastnosti vyústi. Nelze ovšem zohlednit nerovnoměrné rozložení efektivní plochy, což může být příčinou nesprávného výsledku. Druhou možností je využití bloků. Tyto bloky jsou vlastně soustava prvků zvaných fixed flow uspořádaných a definovaných tak, aby dokázaly nahradit reálnou vyúsť. Blok využívá hybnostního modelu zadávání okrajových podmínek. Na obrázku č. 12. lze porovnat výsledky simulace při použití zmiňovaných aplikací. Ze zjištěných výsledků a porovnáním s měřením byla pro modelování našeho příkladu aplikována metoda modelování vířivé vyústi pomocí bloku se skupinou prvků fixed flow. Tato varianta byla zvolena, protože dokáže lépe respektovat rozložení efektivní plochy na čelní desce a tím se dosáhne simulace distribuce, která odpovídá skutečným poměrům za výustí. K získání správného výsledku se využívá několikanásobného řešení s ověřováním a následným znovuspuštěním výpočtu. Přičemž dosažení úplné konvergence výpočtu trvá v našem případě proměnlivě od 8 do 12 hodin. Simulace vířivé vyústi s použitím prvku Swirl

Proudění vzduchu vyvolané přívodem vzduchu do místnosti znázorněné při kouřové zkoušce v laboratoři Simulace vířivé vyústi s použitím bloku fixed flow Obr. 12 – Srovnání výsledků simulací při použití různých metod modelování vířivé vyústi s kouřovou zkouškou Zbyněk Děckuláček, VUT v Brně, Fakulta stavební, Ústav TZB, Veveří 95, 602 00 Brno, e-mail: [email protected] - 18 -


Srovnání výsledků a závěr Pro rychlejší porovnání výsledků je vytvořena tabulka č. 2, ve které jsou porovnány hodnoty rychlostí proudění vzduchu v náhodně vybraných bodech zkoumaného prostoru. souřadnice x [mm]

souřadnice y [mm]

Rychlost proudění dle laboratorního měření [m/s]

Rychlost proudění dle CFD simulace [m/s]

400

55

0,61

0,57

900

155

0,48

0,52

300

305

0,17

0,18

1200

805

0,03

0,21

0

1305

0,28

0,20

Tabulka č. 2 – Srovnání výsledků ve vybraných bodech

Práce se zabývá řešením vlivu VZT systému na tvorbu interního mikroklimatu. Cílem této práce bylo vytvořit obraz proudění pomocí naměřených hodnot na vířivé vyústi firmy Schako v laboratorních podmínkách, vytvoření obrazu proudění pomocí simulačního softwaru a následná verifikace výsledků. Těchto cílů bylo úspěšně dosaženo. Po zhodnocení obou experimentů můžeme konstatovat, že výsledky jsou v rámci tolerovatelných odchylek shodné. A tudíž můžeme na tomto příkladu potvrdit správnou funkčnost simulačního softwaru Flovent. Nejobtížnější část tvorby modelu je jednoznačně správné nahrazení konstrukce vyústi v simulačním softwaru. Optimalizace této fáze stále není příliš prozkoumanou oblastí a proto si modelace složitějších distribučních prvků žádá ověřování výsledků experimentálním měřením. Určitou možnost srovnání a zjednodušení poskytuje také využití jiných simulačních softwaru (Fluent), které umožňují detailnější řešení uvnitř a těsně za distribučním prvkem, čímž vyřeší otázku definování okrajových podmínek na čelní desce vyústi.

Poděkování Při práci byly využity měřící přístroje Testo a simulační software Flovent 6.1 firmy KLIMAKOM s.r.o. Firma se zabývá projekcí, realizací a servisem vzduchotechniky, chlazení a klimatizace. Zároveň rozvíjí své aktivity na poli počítačových simulací a hodnocení mikroklimatu měřením. Tímto bych chtěl poděkovat za poskytnutí zmiňovaných prostředků.



Použitá literatura [1] CHYSKÝ, Jaroslav, HEMZAL, Karel. Technický průvodce – větráni a klimatizace. 3. zcela přepracované vydání. Brno: Bolit–B press, 1993. 560 s. ISBN 80– 901574–0–8. [2] FLOVENT 6.1 (leden 2007), www.flovent.com [3] JÍCHA, Miroslav. Počítačové modelování úloh vedení tepla a proudění. První vydání. Brno:Nakladatelství Vysokého učení technického, 1991. 121 s. ISBN 80– 214-0364–0. [4] SCHWARZER, Jan, TOTH, Luděk. 18. Konference klimatizace a větrání 2008. Příspěvek Modelování koncových prvků ve vzduchotechnice. Vydavatel: Společnost pro techniku prostředí, 2008. 361 str. ISBN 978-80-02-01978-7 [5] SZÉKYOVÁ, Marta, FERSTL, Karol, NOVÝ, Richard. Větrání a klimatizace. První české vydání. Jaga Group s.r.o., Bratislava 2006. 358 s. ISBN 80-8076-037-3. [6] Projekční podklady firmy Schako, www.schako.de [7] ČSN EN ISO 7726 – Ergonomie tepelného prostředí – Přístroje pro měření fyzikálních veličin




Verifikace výsledků CFD simulace laboratorním měřením

Recommend Documents