Белгородская область, Россия
Россия
Россия
УДК 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
УДК 697 Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха в зданиях и сооружениях
УДК 697.922 Распределение воздуха. Распределительные устройства.Воздуховоды
В статье рассматривается актуальная и практически значимая проблема повышения эффективности работы систем вентиляции и аспирации. Особое внимание уделяется методам управления воздушным потоком с помощью различных регулирующих устройств, и в частности – шиберных задвижек, которые широко применяются в промышленном и бытовом секторах. Основная цель проведённого исследования заключается в создании и критическом анализе адекватной CFD модели шиберной задвижки, при этом в качестве программного обеспечения выбран мощный комплекс SolidWorks, позволяющий реализовать как геометрическое моделирование, так и последующий численный расчёт. В процессе выполнения работы была построена детальная компьютерная модель шиберной задвижки, проведено исследование зависимости коэффициента местного сопротивления (ζ) от площади проходного сечения, а также выполнен сравнительный анализ полученных численных результатов с данными, приведёнными в справочных источниках. Полученные результаты численного эксперимента продемонстрировали высокую точность предсказаний и надёжность построенной модели, что подтверждается небольшими отклонениями от справочных значений. На основании проведённого анализа было установлено, что разработанная CFD модель шиберного устройства может стать надёжной основой для дальнейших исследований, оптимизаций и совершенствований вентиляционных и аспирационных систем. Применение программных продуктов, таких как SolidWorks, существенно упрощает и ускоряет процесс проектирования, моделирования и последующего анализа характеристик вентиляции. Полученные данные могут оказать практическую значимость на различных производствах, где эффективное управление воздушным потоком имеет критическое значение для обеспечения комфортного микроклимата и энергоэффективности.
вентиляция, аспирация, износ, шиберная задвижка, CFD модель, численный эксперимент
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. Ткач Л.В. К вопросу проектирования систем аспирации и роли регуляторов расхода в них // Наука молодых - будущее России: Сборник научных статей 9-й Международной научной конференции перспективных разработок молодых ученых. В 5-ти томах, Курск, 12–13 декабря 2024 года. Курск: ЗАО "Университетская книга". 2024. С. 265–270.
2. Ткач Л.В., Уваров А.В., Михайлов А.И. Классификация регуляторов расхода воздуха в системах промышленной вентиляции и аспирации // Образование. Наука. Производство: Сборник докладов XVI Международного молодежного форума, Белгород, 30–31 октября 2024 года. Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2024. С. 54-58.
3. Федоренко И.Я., Капустин В.Н. Классификация регуляторов расхода воздуха для систем вентиляции по конструктивному исполнению регулирующих элементов // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2009. № 8(58). С. 69–73.
4. Гольцов А.Б. Выявление факторов, влияющих на равномерность всасывания аспирационными воронками // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2023. № 1. С. 19–31. DOI:https://doi.org/10.34031/2071-7318-2022-8-1-19-31.
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, №6. Pр. 727–734. DOI:https://doi.org/10.1007/s11148-021-00550-3.
6. Олексюк К.М. Олексюк Кирилл Михайлович регуляторы расхода постоянного и переменного потока воздуха // Вестник магистратуры. 2024. № 3-2(150). С. 20–21.
7. Петров С.А., Иванова М.В. Оценка эффективности использования регулирующих устройств в системах аспирации предприятий. // Вестник промышленной экологии. 2018. №4. С. 45-52.
8. Сидоров Д. Е. Нецелесообразность применения регулирующих устройств в аспирационных системах // Промышленная экология. 2021. № 3. С. 45–52.
9. Семичева Н.Е., Ежов В.С., Бурцев А.П. Инновационные энергосберегающие технические решения в системах вентиляции и кондиционирования воздуха // Известия Юго-Западного государственного университета. 2016. № 1(64). С. 109–114.
10. Волков В.А. Регуляторы расхода воздуха VAV – основа системы кондиционирования с переменным расходом воздуха // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2011. № 4. С. 38–41.
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. Ткач Л.В. Абразивный износ регулирующих устройств в системах аспирации: проблемы и решения // Наука и практика: актуальные вопросы, достижения и инновации : Сборник статей VIII Международной научно-практической конференции, Пенза, 30 августа 2025 года Пенза: Наука и Просвещение (ИП Гуляев Г.Ю.). 2025. С. 44–47.
13. Зиганшин А.М., Бадыкова Л.Н. Численное моделирование течения в профилированном вентиляционном тройнике на слияние // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2017. № 6(702). С. 41–48.
14. Бородкин А.А. Расчет аэродинамических параметров вентиляционной сети // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. 2021. № 4. С. 58–61.
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. DOI:https://doi.org/10.2486/indhealth.2022-0045.
16. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлически сопротивлениям / Под ред. М.О. Штейнберга. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1992. С. 428–468.
17. Гольцов А.Б., Логачев К.И., Семиненко А.С., Киреев В.М., Елистратова Ю.В., Серых И.Р., Чернышева Е.В. Выравнивание потоков в аспирационных патрубках // Экология промышленного производства. 2024. № 2(126). С. 46–57. DOIhttps://doi.org/10.52190/2073-2589_2024_2_46.
18. Гольцов А.Б., Логачев К.И., Аверкова О.А., Елистратова Ю.В., Семиненко А.С. Численное моделирование воздушного потока в аспирационной воронке с выравнивающим устройством // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2024. № 7(787). С. 64–75. DOI:https://doi.org/10.32683/0536-1052-2024-787-7-64-75.
19. Арбатский А.А., Глазов В.С. Расчет систем вентиляции производственных и общественных зданий с применением средств CFD-моделирования // Современные задачи инженерных наук: сборник научных трудов VI-ого Международного научно-технического Симпозиума «Современные энерго- и ресурсосберегающие технологии СЭТТ-2017» (Москва, 11–12 октября 2017 г.). М.: ФГБОУ ВПО МГУДиТ. 2017. С. 176-180.
20. Муфтахов В.З. Расчетно-теоретическое и экспериментальное исследования кавитационных характеристик шиберных запорно-регулирующих устройств с внутренним байпасом // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2023. № 7(760). С. 84–92. DOIhttps://doi.org/10.18698/0536-1044-2023-7-84-92.
21. Логачев И.Н., Логачев К.И. Аэродинамические основы аспирации. Санкт-Петербург: Изд-во Химиздат, 2005. 659 с.
22. Талиев В.Н. Аэродинамика вентиляции. М.: Стройиздат, 1979. 295 с.
