Belgorod, Russian Federation
Russian Federation
Russian Federation
UDC 69
UDC 697
UDC 697.922
The article discusses the relevant and practically significant problem of improving the efficiency of ventilation and aspiration systems. Special attention is paid to the methods of controlling the air flow using various regulating devices, and in particular, slide gates, which are widely used in the industrial and domestic sectors. The main purpose of the conducted research is to create and critically analyze an adequate CFD model of a slide gate, while using the powerful SolidWorks software package to implement both geometric modeling and subsequent numerical calculations. During the research, a detailed computer model of a slide gate was created, and the dependence of the local resistance coefficient (ζ) on the flow area was studied. The obtained numerical results were compared with data from reference sources. The results of the numerical experiment demonstrated high accuracy of the predictions and the reliability of the constructed model, which is confirmed by small deviations from the reference values. Based on the analysis conducted, it was determined that the developed CFD model of the slide device can serve as a reliable foundation for further research, optimization, and improvement of ventilation and aspiration systems. The use of software products such as SolidWorks significantly simplifies and accelerates the process of designing, modeling, and analyzing ventilation characteristics. The obtained data can have practical significance in various industries where efficient airflow management is crucial for ensuring a comfortable microclimate and energy efficiency.
ventilation, aspiration, wear and tear, slide gate, CFD model, numerical experiment
Введение. На множестве производств, от деревообработки и мебельного производства до горнодобывающей и пищевой промышленности, а также в сферах транспортировки сыпучих грузов, машиностроения и металлообработки, текущие технологические процессы создают серьезные экологические проблемы. Они сопровождаются интенсивным тепловыделением, образованием опасной мелкодисперсной пыли и выбросами вредных газов, что приводит к загрязнению как рабочих зон, так и окружающей среды.
[1]. Локализация загрязнений осуществляется с помощью систем вентиляции и аспирации, которые требуются для соблюдения санитарных норм чистоты воздуха и обеспечения безопасной и комфортной рабочей среды.
Ключевым элементом эффективной работы систем вентиляции и аспирации является управление воздушным потоком. Точная регулировка позволяет оптимизировать работу системы, снизить энергопотребление, а также обеспечить комфортный микроклимат в помещении.
Существующие методы регулирования расхода воздуха: использование регулирующих устройств, изменение производительности вентилятора, использование автоматических систем управления. Каждый из методов имеет, как плюсы, так и недостатки в использовании [2, 3].
Рассмотрим более подробно применение регулирующих устройств, которые в вентиляционных и аспирационных системах играют роль не просто компонентов, а интеллектуальных элементов управления. Они обеспечивают автоматическую адаптацию параметров работы системы к текущим потребностям и внешним условиям. Правильный выбор и настройка регулирующих устройств – это залог эффективной и безопасной работы систем. При выборе устройств необходимо учитывать характеристики данных систем, требования к микроклимату и условия эксплуатации.
Качество работы этих систем во многом определяется правильным выбором и настройкой данных устройств [4, 5]. Регулирующие устройства отличаются высокой эффективностью и автономностью, не требуя подключения к сети [6]. Но известны также рекомендации [7, 8] о нецелесообразности применения регулирующих устройств в системах аспирации.
Основные эксплуатационные риски, связанные с применением регулирующих устройств в системах вентиляции и аспирации, включают в себя загрязнение пылью, приводящее к снижению пропускной способности, и абразивный износ, сокращающий срок службы оборудования [9–11].
Для снижения загрязнения пылью регулирующих устройств используют следующие методы: предварительная фильтрация, использование адгезионных покрытий для нанесения на поверхность устройств, управление воздушными потоками, оптимизация конструкции регуляторов, применение автоматической очистки.
Снижение абразивного износа регулирующих устройств в системах вентиляции и аспирации достигается за счет использования материалов, устойчивых к абразивному износу, разработки и внедрения конструктивных решений, снижающих скорость потока в зонах максимального износа, использования специальных защитных элементов в устройствах, настройки оптимальных параметров работы, применения специальных добавок для материалов, позволяющих снизить их абразивные свойства [12].
Но, как показывает практика при использования регулирующих устройств, этих мер недостаточно и необходим комплексный подход. Следовательно, актуальной задачей является поиск новых технических решений, направленный на снижение негативного воздействия от использования регулирующих устройств и актуализации их применения в системах аспирации с учетом развития технологических процессов.
В современном мире для решения сложных задач в различных сферах деятельности, в том числе в вентиляции и аспирации, используются программные продукты, которые позволяют моделировать воздушные потоки, рассчитывать аэродинамические характеристики сети воздуховодов, подбирать оптимальное оборудование и оценивать энергоэффективность системы. Это, в свою очередь, приводит к существенному сокращению времени, затрачиваемого на проектирование, снижению вероятности ошибок и повышению общей надежности спроектированной системы.
Для расчетов, связанных с системой вентиляции и аспирации, часто используются методы CFD-моделирования, предназначенные для автоматизации процессов на этапах конструкторской и технологической подготовки, позволяющие разрабатывать вентиляционные и аспирационные изделия различной сложности и конфигурации. CFD-моделирование позволяет заменять дорогостоящие эксперименты математическими расчетами, сокращая сроки и стоимость проектирования, а также оптимизировать конструкции на этапе разработки, избегая дорогостоящих ошибок. Особую ценность CFD-моделирование представляет при создании новых конструкций устройств, где отсутствуют экспериментальные данные и требуется детальное понимание поведение жидкостей и газов. Особое внимание при создании CFD-моделей следует обращать на создание адекватных моделей способных с минимальной погрешностью описать происходящий в разрабатываемом устройстве процесс [13–15].
В данной статье рассмотрен расчет регулирующего устройства (шиберной задвижки) в программном комплексе SolidWorks, с целью сравнения расчетного коэффициента местного сопротивления шиберной задвижки со справочными данными, что позволит разработать адекватную CFD модель для дальнейшего исследования и совершенствования регулирующих устройств в системах аспирации. С помощью данного программного комплекса возможно изменять параметры модели на различных стадиях разработки, а также проверять модель на прочность, устойчивость, абразивность, моделировать движение воздушного потока.
Материалы и методы. В работе применялся анализ теоретических предпосылок регулирования и компьютерное CFD-моделирование в среде SolidWorks.
В рамках фундаментальных исследований процессов регулирования параметров в вентиляционно-аспирационных системах сформирована комплексная теоретическая база, описывающая закономерности влияния регулирующей арматуры на функциональные характеристики данных систем.
Физико-механический аспект регулирования воздушных потоков в воздухораспределительных каналах базируется на принципе преобразования площади поперечного сечения проходного канала. При этом наблюдается закономерное возрастание гидравлического сопротивления системы, сопровождающееся снижением давления воздушного потока.
Теоретическая модель регулирования позволяет количественно оценить влияние регулирующих устройств на аэродинамические характеристики вентиляционных систем и прогнозировать изменения параметров воздушного потока при различных режимах работы.
Потери давления в регулирующих устройствах обусловлены перестройкой полей скоростей сопровождающемся образованием на границах потоков вихрей. Изменение поля скоростей и поддержание вращения вихрей требуют затрат энергии, поэтому течение через регулирующие устройства, обладающие местным сопротивлением, всегда сопровождаются потерями давления. При установке регулирующих элементов в системе вентиляции и аспирации происходит локальное снижение давления воздуха. Это вызывает деформацию профиля скоростей воздушного потока и формирование вихревых зон в пристеночной области воздуховода, что влечет за собой диссипацию энергии. Величина потерь давления на местном сопротивлении (∆Р) пропорциональна динамическому давлению воздушного потока.
(1)
Потери давления на местном сопротивлении зависят от коэффициента (
), характеризующего потери энергии потока воздуха, вызванные местными изменениями геометрии системы, плотности (ρ) и скорости (v) воздуха.
Коэффициент местного сопротивления () представляет собой отношение потери давления в местном сопротивлении (
к динамическому давлению потока (
и является функцией от геометрических размеров сечения (диаметра D - для круглых воздуховодов, В, А -для прямоугольного воздуховода) и числа Рейнольдса (
).
(2)
Значения ζ варьируются в широком диапазоне в зависимости от геометрии и типа местного сопротивления [16].
Коэффициент сопротивления регулирующих и запорных устройств определяется их конструктивными особенностями, влияющими на характер потока (например, прямолинейность, стабильность сечения). Шероховатость внутренней поверхности также оказывает значительное влияние на коэффициент сопротивления.
Длина регулирующих клапанов и задвижек связана с размером их проходного сечения, что приводит к нарушению геометрического подобия при изменении диаметра прохода. Коэффициент сопротивления гидравлической системы, использующей эти клапаны, зависит от диаметра прохода: для больших диаметров он увеличивается с ростом диаметра, а для малых размеров увеличивается с уменьшением диаметра. Характер сопротивления запорного устройства напрямую коррелирует с углом или степенью открытия его запорного органа [16].
В справочнике по гидравлическим сопротивлениям И.Е. Идельчика приведены данные значения гидравлического сопротивления для шибера в зависимости от глубины погружения плунжера (в круглом воздуховоде) [16].
Цель исследования: создание адекватной CFD модели шиберной задвижки для дальнейшего исследования и совершенствований регулирующих устройств.
Ставились следующие задачи исследования:
- разработать CFD модель шиберной задвижки;
- проведение серии вычислительных экспериментов при различных скоростях к нормали для определения зависимости ζ от глубины погружения плунжера (Н/D0);
- сравнить полученные данные в программе SolidWorks со справочными данными И.Е. Идельчика.
В среде SolidWorks была построена модель круглого воздуховода с шибером (D0=25мм). Задавались следующие граничные условия: на входе – давление Р=101325 Па, температура
t=20 °C , на выходе: скорость V=10–20 м/с. Отношение Н/D0 (глубина погружения плунжера) от 0,15 до 0,95. Данный программный комплекс, за счет автоматизации расчетов, значительно снижает трудозатраты в исследовательском процессе. Многочисленные работы [17–19], использующие этот комплекс, доказывают его практическую ценность и надежность. На рис.1 представлен общий вид расчетной модели.
Рис. 1. Общий вид расчетной модели
Сопротивление, оказываемое шибером во многом аналогично физическим процессам, происходящим при работе диафрагменных устройств. В обоих случаях мы сталкиваемся с явлением резкого изменения геометрии проходного сечения для текущей среды – будь то газ, жидкость или даже суспензия. Когда поток жидкости или газа проходит через узкое отверстие шибера или диафрагмы, он подвергается внезапному сжатию, а затем, пройдя это препятствие, – резкому расширению. Этот цикл сжатия-расширения неизбежно порождает ряд сложных гидродинамических эффектов.
Особое внимание следует уделить формированию сложного изгибания потока. Вместо плавного обтекания преграды, поток приобретает характер турбулентности, характеризующейся хаотичными движениями частиц. Эта турбулентность возникает вследствие сочетания двух основных факторов: локального ускорения потока и его отрыва от поверхности ограничивающего элемента (шибера или диафрагмы). Во время прохождения через сужение поток вынужден ускоряться, чтобы сохранить массовый расход. Однако эта высокая скорость часто приводит к потере устойчивости ламинарного слоя и переходу в турбулентное движение. Отрыв потока от поверхности шибера происходит из-за того, что поток не может мгновенно адаптироваться к изменяющейся геометрии канала, что приводит к образованию зон застоя и отслоения.
Эти зоны застоя и отрыва являются источником образования вихрей – вращающихся областей жидкости или газа. Вихри потребляют энергию потока, трансформируя ее в кинетическую энергию вращения, тем самым увеличивая потери энергии на трение и турбулизацию. Количество образуемых вихрей и их размер зависят от скорости потока, свойств среды (вязкость, плотность) и формы шибера. Например, острые углы на поверхности шибера будут способствовать более интенсивному образованию вихрей по сравнению с гладкими скругленными поверхностями. Все эти факторы в совокупности значительно увеличивают общее сопротивление, оказываемое шиберным устройством протекающей среде [20].
Для проведения вычислительного эксперимента использовалось программное обеспечение Solidworks. Математическая модель базировалась на уравнениях неразрывности движения, замыкание которых было выполнено с помощью k-ε модели турбулентности (интенсивность 0,1 %, масштаб 0,002 м). Решение уравнений осуществлялось на адаптивных прямоугольных сетках, структура которых была оптимизирована под геометрию исследуемого объекта. В ходе вычислительного эксперимента осуществлялась верификация расчетной сетки и валидация результатов справочных данных и вычислительного эксперимента. Верификация расчетной сетки заключается в её подборе при дискретизации объектов и осуществлялась в следующей последовательности: построение и выбор математической модели, выбор контрольных параметров (ζ, Н/D0), выбор начальной сетки, моделирование с последующим измельчением расчетной сетки, анализ полученных результатов, выявление уровня адаптации сетки, при котором оказывается незначительное влияние на контрольные параметры [21, 22]. При валидации проводилось сопоставление полученных значений ζ от Н/D0 (при различных скоростях) в результате численного эксперимента с результатами справочных данных. Точность снятия показаний (давление, скорость и др.) достигалась за счет удлинения воздуховода, что в свою очередь снижает неравномерность течения потока. Исследование проводилось при
Re > 
.
Проведенная серия вычислительных экспериментов при различных скоростях к нормали (диапазон 10–20 м/с) для определения зависимости ζ от глубины погружения шибера (h/D0) показала высокую достоверность полученных результатов, коэффициент корреляции для всех экспериментов колеблется в диапазоне r=0,95…0,98 и коэффициент детерминации r2=0,89…0,96, критерий Фишера меньше критических значений, значимость p<<0,05. Наблюдается хорошее совпадение полученных данных с теоретическими кривыми Идельчика, что подтверждает правильность построения модели и обоснованность сделанных предположений.
Критерий сходимости расчетов был достигнут за счет достижения стабильного значения разности давлений с изменением между итерациями, меньшим заданного порога (по относительной ошибке), что свидетельствовало о том, что расчетная область потока достигла установившегося режима.
На рис.2 представлены результаты экспериментальных исследований по [16] и по данным проведенного численного эксперимента.
Выводы. В статье рассмотрена необходимость оптимизации функционирования систем вентиляции и аспирации, с особым вниманием к управлению воздушными потоками посредством регулирующих устройств, в частности, шиберных задвижек. Основной целью исследования является разработка и верификация адекватной вычислительной гидродинамической (CFD) модели шиберной задвижки с применением программного комплекса SolidWorks. В рамках проведенной работы была осуществлена генерация трехмерной компьютерной модели шиберной задвижки. Была исследована зависимость коэффициента местного сопротивления (ζ) от площади проходного сечения, а также проведен сравнительный анализ полученных результатов с данными из справочных источников. Результаты численного моделирования подтвердили высокую степень точности и надежности разработанной модели. Установлено, что созданная CFD-модель шиберного устройства может служить основой для дальнейших научно-исследовательских работ и инженерных усовершенствований. Применение специализированных программных продуктов, таких как SolidWorks, существенно снижает трудоемкость и временные затраты на этапах проектирования и анализа вентиляционных систем. Полученные эмпирические данные обладают потенциальной практической значимостью для различных производственных объектов, где эффективное регулирование воздушных потоков является критически важным для обеспечения комфортных условий микроклимата и достижения эффективности.
а б в
|
Рис. 2. График зависимости коэффициента КМС от H/Do а) H/Do=0,1…0,6, б) H/Do=0,15…0,75, в) H/Do=0,4…0,8 |
|
𝛏п – Значение по формуле И.Е. Идельчика; 𝛏п[1] – Результаты численного эксперимента |
Основываясь на всестороннем анализе результатов проведенного численного эксперимента, а также учитывая полученные данные о соответствии со справочными значениями, допустимо сделать следующие выводы:
- зависимость сопротивления шибера при увеличении глубины погружения шибера имеет экспоненциальную зависимость, в данном случае увеличение глубины погружения шибера ведет к ускоренному росту сопротивления вследствие уменьшения эффективного сечения трубы и увеличения турбулентности течения;
- разработана адекватная численная CFD-модель регулирующего устройства, которая позволит проводить дальнейшие эксперименты, направленные на совершенствование процесса регулирования в системах аспирации. Модель позволит провести виртуальные испытания, оценить влияние конструктивных изменений на аэродинамические характеристики системы и выявить оптимальные режимы эксплуатации оборудования.
1. Tkach L.V. On the Design of Aspirating Systems and the Role of Flow Regulators in Them [K voprosu proektirovaniya sistem aspiracii i roli regulyatorov raskhoda v nih]. Nauka molodyh - budushchee Rossii: Sbornik nauchnyh statej 9-j Mezhdunarodnoj nauchnoj konferencii perspektivnyh razrabotok molodyh uchenyh. V 5-ti tomah, Kursk, 12–13 dekabrya 2024 goda. Kursk: ZAO "Universitetskaya kniga".2024. Pp. 265–270. (rus)
2. Tkach L.V., Uvarov A.V., Mikhailov A.I. Classification of Air Flow Regulators in Industrial Ventilation and Aspirating Systems [Klassifikaciya regulyatorov raskhoda vozduha v sistemah promyshlennoj ventilyacii i aspiracii]. Obrazovanie. Nauka. Proizvodstvo: Sbornik dokladov XVI Mezhdunarodnogo molodezhnogo foruma, Belgorod, 30–31 oktyabrya 2024 goda. Belgorod: Belgorodskij gosudarstvennyj tekhnologicheskij universitet im. V.G. SHuhova.2024. Pp. 54–58. (rus)
3. Fedorenko I.Ya., Kapustin V.N. Classification of Air Flow Regulators for Ventilation Systems by Design of the Regulating Elements [Klassifikaciya regulyatorov raskhoda vozduha dlya sistem ventilyacii po konstruktivnomu ispolneniyu reguliruyushchih elementov]. Bulletin of Altai State Agricultural University. 2009. No. 8 (58). Pp. 69–73. (rus)
4. Gol'tsov A.B. Identification of Factors Affecting the Evenness of Suction by Aspirating Funnels [Vyyavlenie faktorov, vliyayushchih na ravnomernost' vsasyvaniya aspiracionnymi voronkami]. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov. 2023. No. 1. Pp. 19–31. (rus)
5. Gol'tsov A.B., Logachev K.I., Ovsyannikov Y.G., Kireev V.M. Numerical Simulation of Air Flows in the Loading Chute of an Aspiration Shelter with Multistage Recirculation Air Seal. Refractories and Industrial Ceramics. 2021. Vol. 61, No. 6. Pp. 727–734.
6. Oleksyuk K. M. Oleksyuk Kirill Mikhailovich regulators of constant and variable air flow [Oleksyuk Kirill Mihajlovich regulyatory raskhoda postoyannogo i peremennogo potoka vozduha]. Vestnik Magistratury. 2024. No. 3-2 (150). Pp. 20–21. (rus)
7. Petrov S.A., Ivanova M.V. Evaluation of the effectiveness of using regulating devices in enterprise aspiration systems [Ocenka effektivnosti ispol'zovaniya reguliruyushchih ustrojstv v sistemah aspiracii predpriyatij]. Vestnik promyshlennoj ekologii. 2018. No. 4. Pp. 45–52. (rus)
8. Sidorov D.E. Inexpediency of Using Control Devices in Aspirating Systems: Scientific Article [Necelesoobraznost' primeneniya reguliruyushchih ustrojstv v aspiracionnyh sistemah: nauchnaya stat'ya]. Journal of Industrial Ecology. 2023. No. 3. Pp. 45–52. (rus)
9. Semicheva N.E., Ezhov V.S., Burtsev A.P. Innovative energy-saving technical solutions in ventilation and air conditioning systems [Innovacionnye energosberegayushchie tekhnicheskie resheniya v sistemah ventilyacii i kondicionirovaniya vozduha]. Izvestiâ Ûgo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta.2016. No. 1(64). Pp. 109–114. (rus)
10. Volkov V.A. VAV Air Flow Regulators - the Basis of a Variable Air Flow Air Conditioning System [Regulyatory raskhoda vozduha VAV - osnova sistemy kondicionirovaniya s peremennym raskhodom vozduha]. AVOK: Ventilyaciya, otoplenie, kondicionirovanie vozduha, teplosnabzhenie i stroitel'naya teplofizika.2011. No. 4. Pp. 38–41. (rus)
11. Logachev K.I., Puzanok A.I., Zorya V.U. Numerical study of aerosol dust behaviour in aspiration bunker. Proceedings European Conference on Computational Fluid Dynamics ECCOMAS CFD 2006. Egmond aan Zee. The Netherlands. 2006. 11 p.
12. Tkach L.V. Abrasive Wear of Control Devices in Aspirating Systems: Problems and Solutions [Abrazivnyj iznos reguliruyushchih ustrojstv v sistemah aspiracii: problemy i resheniya]. Nauka i praktika: aktual'nye voprosy, dostizheniya i innovacii : Sbornik statej VIII Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Penza, 30 avgusta 2025 goda. Penza: Nauka i Prosveshchenie (IP Gulyaev G.YU.).2025. Pp. 44–47. (rus)
13. Ziganshin A.M., Badykova L.N. Numerical Modeling of Flow in a Profiled Ventilation Tee at Confluence [CHislennoe modelirovanie techeniya v profilirovannom ventilyacionnom trojnike na sliyanie]. News of higher educational institutions. Construction.2017. No. 6(702). Pp. 41–48. (rus)
14. Borodkin A.A. Calculation of Aerodynamic Parameters of a Ventilation Network [Raschet aerodinamicheskih parametrov ventilyacionnoj seti]. AVOK: Ventilyaciya, otoplenie, kondicionirovanie vozduha, teplosnabzhenie i stroitel'naya teplofizika. 2021. No. 4. Pp. 58–61. (rus)
15. Tian B., Kubota Y., Murata M. Research on the relationship between the centerline velocity, aspect ratio and exhaust airflow rate for a slot and a rectangular capture hood in an local exhaust ventilation system. Ind Health. 2023. Vol. 61, No. 3. Pp. 222–231.
16. Idelchik I.E. Handbook of Hydraulic Resistance [Spravochnik po gidravlicheski soprotivleniyam]. Edited by M.O. Shteinberg.-3rd edition, revised and expanded. Moscow: Mashinostroenie, 1992. Pp. 428–468. (rus)
17. Goltsov A.B., Logachev K.I., Seminenko A.S., Kireev V.M., Yelistratova Yu.V., Serykh I.R., Chernysheva E.V. Alignment of Flows in Aspirating Nozzles [Vyravnivanie potokov v aspiracionnyh patrubkah]. Ekologiya promyshlennogo proizvodstva. 2024. No. 2(126). Pp. 46–57. (rus)
18. Goltsov A.B., Logachev K.I., Averkova O.A., Yelistratova Yu.V., and Seminenko A.S. Numerical Modeling of Air Flow in an Aspirating Funnel with an Equalizing Device [CHislennoe modelirovanie vozdushnogo potoka v aspiracionnoj voronke s vyravnivayushchim ustrojstvom]. News of higher educational institutions. 2024. No. 7(787). Pp. 64–75. (rus)
19. Arbatsky A.A., Glazov V.S. Calculation of Ventilation Systems for Industrial and Public Buildings Using CFD Modeling Tools [Raschet sistem ventilyacii proizvodstvennyh i obshchestvennyh zdanij s primeneniem sredstv CFD-modelirovaniya]. Sovremennye zadachi inzhenernyh nauk: sbornik nauchnyh trudov VI-ogo Mezhdunarodnogo nauchno-tekhnicheskogo Simpoziuma «Sovremennye energo- i resursosberegayushchie tekhnologii SETT - 2017» (Moskva, 11–12 oktyabrya 2017 g.). M.: FGBOU VPO MGUDiT. 2017. Pp. 176–180. (rus)
20. Muftakhov V.Z. Calculation, Theoretical, and Experimental Studies of the Cavitation Characteristics of Gate-Control Devices with Internal Bypass [Raschetno-teoreticheskoe i eksperimental'noe issledovaniya kavitacionnyh harakteristik shibernyh zaporno-reguliruyushchih ustrojstv s vnutrennim bajpasom]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Mashinostroenie. 2023. No. 7(760). Pp. 84–92. (rus)
21. Logachev I.N., Logachev K.I. Aerodynamic Fundamentals of Aspiration [Aerodinamicheskie osnovy aspiracii]. St. Petersburg: Khimizdat, 2005. 659 p. (rus)
22. Taliev V.N. Aerodynamics of Ventilation [Aerodinamika ventilyacii]. Moscow: Stroyizdat, 1979. 295 p. (rus)
