При работе в течение последних 5 лет с продуктом STARCD нами накоплен положительный практический опыт. Сформулируем методически важные положения из этого опыта.

Первое. Необходимо с достаточной степенью точности описать все геометрические особенности вентилируемого объекта в таких пакетах построения трехмерных моделей, как SolidWorks, ProEngeneer, Unigraphics.

Второе. Разработать и построить такую сеточную структуру, чтобы, с одной стороны, компьютер или компьютерный кластер, был бы способен на ней найти конечное решение за разумный временной период, скажем, 30 суток. С другой стороны, число ячеек в сеточной структуре должно быть достаточным для выявления тонких структур течения второго и третьего порядка малости по отношению к среднему течению. Последнее достигается измельчением сеточной системы в критичных, с точки зрения расчетчика, областях.

Третье. Необходимо хорошее понимание качественной стороны происходящих циклов, с тем чтобы правильно и корректно сформулировать граничные условия задачи.

Четвертое. На базе предыдущего опыта, анализа и обобщения результатов других исследователей необходимо выбрать модель турбулентности, являющуюся эффективной для описания низкоскоростных потоков с высокой интенсивностью турбулентности.

Пятое. Необходимо избежать ошибок при совершении процедур одинчетыре, что достигается не только за счет академической подготовки, но и за счет профессионального практического опыта, обогащенного интуицией разработчика.

Обсудим некоторые решенные задачи, двигаясь от простого к сложному.

Одной из простых была задача оптимизации входа воздуха в канальный вентилятор. В базовом варианте вход представляет собой внезапное одностороннее сужение. Придавая передней стенке некоторый угол наклона и не выходя за габариты вентилятора, k местного сопротивления (x) удалось уменьшить с 0,31 до 0,1 Затем, скругляя вершину угла, образованного передней и горизонтальными стенками x снизили с 0,19 до 0,0418 при радиусе скругления r = 5 мм. В итоге x удалось снизить в 7,4 раза. Скоростные поля показаны на 1, 2, 3.

Отметим, что потери давления при внезапном сужении канала, полученные в результате численного моделирования и из эксперимента [2], отличаются всего на 2 %. При этом не ставилась задача верификации программы STARCD, т. к. данный гидродинамический пакет прошел всестороннее тестирование и уже много лет успешно применяется во всем мире. Вместе с тем, было интересно и приятно узнать о практически абсолютном совпадении независимо полученных результатов.

Вторая задача формулировалась следующим образом. Необходимо рассчитать течение в прямоугольном отводе на 90° при условии, что на внутреннем радиусе стенки отвода образуют прямой угол ( 4, .

Как видно из 5, внутрь канала в соответствии с рекомендациями [3] введена цилиндрическая поверхность.

Отвод перестал быть генератором акустического шума, аэродинамическое сопротивление отвода с поджатым проходящим сечением снизилось более чем в 2 раза. В результате, сохраняя простую и дешевую технологию изготовления отвода, удалось придать ему аэродинамическое и, как следствие, акустическое совершенство.

Нами было изучено течение, формирующееся при выходе из прямоугольного отверстия, перекрытого аркой ( . Диапазон изменения do/lo = 1/1 1/6, V0 = 2 ч 10 м/с. Под аркой был обнаружен автоколебательный цикл, крайние положения этого сложного динамического течения показаны на 7.

Тот факт, что поток из устройства по 6 затухает парадоксально быстро, был обнаружен и изучался Б. Н. Юрмановым, Т. П. Авдеевой и другими учеными. Физическая сторона явлений, происходящих под аркой, долгое время не была раскрыта. Мы считаем, что устройство на 6 является генератором хаоса и создает течение с большим числом как крупномасштабных, так и мелкомасштабных вихревых структур.

При решении первых двух задач общее число ячеек сеточной структуры составляло 100 000 элементов.

Динамическая задача с автоколебательным ц. при расчете в рамках уравнений Рейнольдса потребовала уже 500 000 ячеек. При этом использовалась квадратичная форма кe модели турбулентности, первопричины ее выбора следует обсуждать отдельно.

Интересной была работа по определению эфф. различных схем организации воздухообмена в объеме круглогодичного лыжного склона, строительство которого ведется в г. Красногорске Московской области.

Склон имеет длину в плане – 365 м, ширину – 60 м, внутренняя высота – 12 м, разность высот старта и финиша – 70 м. Площадь снегового поля – 22 000 м2, объем трассы – 260 000 м2.

Критерием эфф. была принята подвижность воздуха на высоте 100 мм от снежного покрова. Диапазон ее изменения 0,15–0,5 м/с. При меньших значениях возникает угроза конденсации водяного пара на снежном поле, что ухудшает качество снега, при высокой подвижности растет сублимационный компонент, перегружающий воздухоохладители склона.

Изучались как продольные ( , так и поперечные ( схемы воздухораспределения. Также была произведена оценка влияния рекламных щитов (высотой 6 м, расположенных по всей ширине трассы) на циркуляцию воздуха ( 1 .

Рассчитывались скоростные, температурные и концентрационные поля в объеме склона.

Сеточная структура насчитывала 1 500 000 ячеек. Замыкание уравнений Рейнольдса производилось с помощью квадратичной кe модели турбулентности.

Компьютерный кластер из 6 машин частотой 3 ГГц давал решение в зависимости от постановки задачи за 5–8 суток.

На основе генератора хаоса ( был разработан воздухораспределитель, работа которого изучалась в приложении к купе железнодорожного вагона. Для сравнения исследовалась работа воздухораспределителя с настилающимися веерными струями.

Результаты расчетов приведены на 11.

Что же является продуктом и результатом численного моделирования? На первый взгляд может показаться, что это «рисунки» ( 1–1 . На самом деле это не так. Результатом является оцифрованное трехмерное течение в исследуемом объекте в его динамическом развитии. Материал, приведенный на 1–11, это некоторые визуализированные фрагменты изучаемых течений.

STARCD позволяет вести разнообразную статистическую обработку материала, визуализировать течение в интересующем диапазоне скоростей, представлять материал в векторном отображении, показывать модули различных полей (скоростных, температурных, концентрационных) в различных сечениях, наблюдать движение трассеров, перемещающихся вместе с потоком, и многое другое.

Интерпретационные возможности пакета достаточно широки, они позволяют увидеть, а затем и понять неочевидные моменты и нюансы течений, не совпадающих с интуитивными ожиданиями.

Отметим, что в мировой практике использование пакетов CFX, Fluent и STARCD для решения задач техники вентиляции и кондиционирования воздуха достаточно распространено. Особенно, если проектируется уникальный объект с большим атриумом, конференцзалом, оперные театры, закрытое спортивное сооружение и т. д.

В настоящем материале мы обсудили некоторые внутренние задачи. Не менее важными представляются и задачи внешнего обтекания зданий, особенно зданий повышенной этажности. В них не только определяются перепады давления на сторонах здания и возникающие при этом статические и динамические нагрузки, но и анализируется отрыв и присоединение потока, особенно вблизи окон жилых помещений. Несмотря на высокую эффективность оболочки STARCD для решения задач техники вентиляции и кондиционирования, следует помнить о том, что пакеты STARCD, ProEngeneer, ICEM CFD – это только инструменты для изучения явлений, работе с которыми следует учиться и учиться.

Литература
Ханжонков В. И. Промышленная аэродинамика. – М. : Оборонгиз, 1953.

Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М. : Машиностроение, 1975.

Справочник проектировщика / Под ред. И. Г. Староверова. – М. : Стройиздат, 1990.

Ferziger J. H. Recent Advances in LargeEddy Simulation, Engineering Turbulence Modelling and Experiments 3, proceeding of the Third International Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements, 1996.