CFD. Společnost pro techniku prostředí ve spolupráci s ČVUT v Praze, Fakultou strojní, Ústavem techniky prostředí

Transkript

1 Společnost pro techniku prostředí ve spolupráci s ČVUT v Praze, Fakultou strojní, Ústavem techniky prostředí Program celoživotního vzdělávání: kurz Klimatizace a Větrání 2013/2014 CFD Jan Schwarzer

2 Počítačová simulace - úvod - Počítačová simulace dynamického chování soustav (TRNSYS) - výpočet chování systému jako celku, stanovení vzájemné závislosti jednotlivých prvků - Energetické bilance objektu (ESP-r, ECOTECT) - energetická bilance objektu jako celku - s možností rozdělení do jednotlivých zón - výpočet chování objektu během celého roku - Počítačová simulace proudění CFD (FLOVENT, FLUENT) - detailní stanovení teplotních a rychlostních polí v místnosti 2

3 Počítačová simulace - TRNSYS Počítačová simulace dynamického chování soustav. Program provádí výpočet chování systému jako celku a určuje vzájemné závislosti a vlivy mezi jeho jednotlivými prvky a počasím. Typické prostředí programu TRNSYS Řeší například nabíjení a vybíjení akumulační nádoby v závislosti na sluneční radiaci, fotovoltaiku, chod TČ, popřípadě vychlazování zeminy zemnímy vrty, průběh teplot v objektu včetně okamžité potřeby energie na vytápění či chlazení, atd. Každá část systému je popsána modulem. 3

4 Počítačová simulace - ESP-r Typické prostředí programu ESP-r Výpočet energetické bilance objektu ve zvoleném časovém úseku. ESP-r: zaměřuje se na stanovení energetické bilance objektu jako celku. Výsledkem může být znalost chování objektu během celého roku a určení optimálního výkonu zdroje tepla pro zimní období, nebo určení optimálního výkonu zdroje chladu pro letní období. není komerční a je volně k dispozici TRNSYS a ESP-r řeší objekty (soustavy) jako celek. Neřeší detailně charakter proudění v místnosti 4

5 - 2D a 3D úlohy - Stacionární a nestacionární případy - Laminární a turbulentní proudění - Přenos tepla nucenou i přirozenou konvekcí, vedením a radiací - Proudění vzduchu pórezními materiály a filtry - Stlačitelné proudění - Proudění s volnou hladinou - Spalování - Vícefázové proudění - Změnu fáze - Pohyb částeček, kapek a bublin - Proudění za rotace nebo vzájemného pohybu oblastí - Mísení chemických směsí - Chemické reakce 5

6 Řeší detailně v oboru klimatizace a větrání : - charakter proudění v místnosti - w(m.s -1 ), i.t. (%), dosah proudu - rozložení teplotního pole - rozložení tlaku - vedení tepla - souč. přestupu tepla α (W.m -2.K -1 ) - atd. Výhoda - oproti ostatním programům UNIVERZÁLNÍ (možnost zadávání jakéhokoli materiálu či plynu) Nevýhoda - DRAHÝ 6

7 Řeší úlohy: - stacionární - nestacionární 7

8 - tvorba modelu (2D, 3D) - síťování modelu - zadání základních okrajových podmínek - export GAMBIT 2.X - import - kontrola sítě - zadání všech okrajových podmínek - iterační výpočet (kontrola konvergence) - vyhodnocení vypočtených dat FLUENT 6.X 8

9 GAMBIT 2.X - tvorba modelu (2D, 3D) - síťování modelu - zadání základních okrajových podmínek - export Typické prostředí programu GAMBIT 9

10 GAMBIT 2.X - tvorba modelu (2D, 3D) - síťování modelu - zadání základních okrajových podmínek - export Typy sítí, které jsou k dispozici: a) pro 2D strukturovaná (QUAD MAP) b) pro 2D nestrukturovaná, čtyřůhelníkové elementy (QUAD SUBMAP, PAVE) c) pro 2D nestrukturovaná, trojůhelníkové elementy (TRI PAVE) d) pro 3D - šestistěny e) pro 3D - čtyřstěny b) a) c) 10

11 GAMBIT 2.X - tvorba modelu (2D, 3D) - síťování modelu (problémy) - zadání základních okrajových podmínek - export - rozměrové problémy - velký rozsah rychlostí proudění hustota výpočetní sítě výkonnost výpočetní techniky zjednodušující metody 11

12 GAMBIT 2.X - tvorba modelu (2D, 3D) - síťování modelu (problémy) - zadání základních okr. podmínek - export 12

13 GAMBIT 2.X - tvorba modelu (2D, 3D) - síťování modelu (problémy) - zadání základních okr. podmínek - export jednotky mm velikosti buněk řádově podobné stovky mm Modelování reálné výusti Zjednodušující přístup 13

14 GAMBIT 2.X - tvorba modelu (2D, 3D) - síťování modelu - zadání základních okr. podmínek - export Okrajové podmínky: - wall - velocity inlet - pressure inlet - pressure outflow - interier atd... Pozn.: Je-li model postaven ve 2D, přiřazují se okrajové podmínky hranám. Je-li model postaven ve 3D, přiřazují se okrajové podmínky povrchům. Konkrétní okrajové podmínky, jako je teplota, tepelný tok, velikost a směr rychlosti, se zadají ve FLUENTu. 14

15 FLUENT 6.X - import - kontrola sítě - zadání všech okrajových podmínek - iterační výpočet (kontrola konvergence) - vyhodnocení vypočtených dat Typické prostředí programu FLUENT Konkrétní okrajové podmínky: - velikost a směr přiváděného vzduchu - intenzita turbulence - teploty - tepelné toky, atd. Podmínky výpočtu (důležité pro rychlost řešení): - laminární, model turbulence - energetické rovnice - gravitace, atd. 15

16 FLUENT 6.X - import - kontrola sítě - zadání všech okrajových podmínek - iterační výpočet (kontrola konvergence) - vyhodnocení vypočtených dat Typický průběh reziduí Vyhodnocení vypočtených dat: - obrázky - data 16

17 Princip řešení proudění: - časově zprůměrované Navierovy-Stokesovy rovnice - doplněné modelem turbulence (RNG k-ε, k-ω, atd.) Proudění u stěn: a) aproximace nerovnovážnými stěnovými funkcemi b) přímé modelování proudění u stěny Rychlost vzduchu w [m/s] 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 Případ II. Případ VII. 0,0 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Vzdálenost od svislé stěny d s [m] 0,5 Rychlost vzduchu w [m/s] 0,4 0,3 0,2 0,1 Případ II. 0,0 0,00 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 Vzdálenost od svislé stěny d s [m] 17

18 Řešené případy - vířivý anemostat (3D) Vertikálnířez v ose modelu, kontury a vektory rychlosti Horizontálnířez modelem ve vzdálenosti 0,5 m od výusti, kontury a vektory rychlosti 18

19 Řešené případy - stanovení výhodnosti podlahového konvektoru (2D) Počítačové simulace vnitřního mikroklimatu v kancelářském prostoru - Luxembourg Plaza Geometrie modelu 1 - přívod chladicího vzduchu; 2 - přívod čerstvého vzduchu; 3 - počítač; 4 - podlahový konvektor; 5 - odváděcí otvor; 6 - prosklená fasáda 19

20 Řešené případy - stanovení výhodnosti podlahového konvektoru (2D) Výsledkem simulace je ověření výhodnosti instalace podlahového konvektoru 20

21 Řešené případy - Průběh změny teploty při zapnutí otopného tělesa v místnosti s uvažováním infiltrace 21

22 Řešené případy - stanovení teploty ve skladu vyhořelého paliva (3D) Teplota venkovního vzduchu t e = 38 C Tepelné výkony uvolňované z kontejnerů Q OS = cca W Ve vstupním větracím otvoru umístěna žaluzie PŽA-P, na výstupu z aeračního světlíku žaluzie PŽA-PII 22

23 Řešené případy - stanovení teploty ve skladu vyhořelého paliva (3D) 1) vnitřní povrch OS (zadaný tepelný výkon); 2) vnější povrch OS (přenos tepla konvekcí a sáláním); 3) otvor pro přívod vzduchu do SVP (vč. hydraulického odporu regulačních klapek); 4) otvor pro přívod venkovního vzduchu do kanálu (vč. hydraulického odporu žaluzií a síta; 5) otvor pro odvod vzduchu (vč. hydraulického odporu žaluzií a síta); 6) dělicí stěna (symetrický teplotní profil, přenos tepla konvekcí a sáláním); 7) venkovní stěna (prostup tepla a sálání); 8) podlaha (prostup tepla a sálání); 9) střecha (prostup tepla a sálání); 10) zákryt na střeše skladu 23

24 Řešené případy - stanovení teploty ve skladu vyhořelého paliva (3D) Rozložení teploty vzduchu v prostoru skladu řez veden středem kontejnerů řez veden mezi kontejnery t[ C]

25 Řešené případy - stanovení teploty ve skladu vyhořelého paliva (3D) Rozložení rychlostního pole v prostoru skladu řez veden mezi kontejnery w[m/s] 1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 w[m/s] 1,0 a více 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 25

26 Řešené případy - větrání automobilového tunelu (3D) Rychlotní pole -řez veden komorou pro odvod vzduchu Rychlotní pole -řez veden ve vyznačeném uzlu ve výšce 1 m 26

27 Řešené případy - stanovení součinitelů místních odporů (3D) Detail zasíťování 27

28 Řešené případy - stanovení součinitelů místních odporů (3D) Rychlost na vstupu 5 m/s Hustota vzduchu 1,2 kg/m 3 Rozměry potrubí 500 x 500 mm Model turbulence k-e, RNG Počet kontrolních objemů Rozdíl celkových tlaků na vstupu do potrubí a na výstupu, součinitel místní ztráty a porovnání s literaturou Případ Re [ ] rozdíl p celk [Pa] ξ [ ] ξ [L1] [ ] (zdroj L3) ξ [L2] [ ] ξ [L3] [ ] S-kus ,73 3,32 4,18 2,1 4,18 28

29 Řešené případy - stanovení součinitelů místních odporů (3D) 29

30 Řešené případy - stanovení součinitelů místních odporů (3D) 1) 2) 3) 4) 5) 30

31 Počítačová simulace - FLUENT (CFD) Řešené případy - stanovení součinitelů místních odporů (3D) w [m/s]

32 Typ tvarovky Kontury rychlostí v podélném řezu Pozn. ξ [-] CFD ξ [-] [L1] ξ [-] [L2] ξ [-] [L3] Dělení proudu v T-kusu Poměr V 1 / V 2 = 2 Rychlost na vstupu w = 5 m/s 0,99 1, Spojení proudu v T-kusu Rychlost na vstupech w = 5 m/s 1,06 1,40 3,00 - Dělení proudu v oblouku Poměr V 1 / V 2 = 2 Rychlost na vstupu w = 5 m/s 0,08 0,40-0,40 Dělení Proudu v T-kusu Poměr rychlostí w 1 / w 2 = 1 Poměr ploch A 1 / A 2 = 2 1,30-0,10 1,40 Dělení proudu v zúženém T-kusu Poměr rychlostí w 1 / w 2 = 1 Poměr ploch A 1 / A 2 = 2 1, Dělení proudu v zúžené rozbočce Poměr rychlostí w 1 / w 2 = 1 Poměr ploch A 1 / A 2 = 2 1,04-0,20 1,10 Dělení proudu v zúžené rozbočce Poměr rychlostí w 1 / w 2 = 1 Poměr ploch A 1 / A 2 = 2 0, ,60 Difuzor Úhel rozšíření 30 Poměr ploch A 1 / A 2 = 2 0,17 0,43 0,07 0,10 32

33 Řešené případy - řešení vnitřního mikroklim. v kostele sv. Anny (3D) Otvory ve střeše Cíl simulace: Stanovení rozložení teplot s výškou objektu Spodní otvory v jižní stěně Patrné rozdělení modelu na několik procesů 33

34 Řešené případy - řešení vnitřního mikroklim. v kostele sv. Anny (3D) 5,0 C 2,5 0,0-2,5-5,0-7,5 Teplota venkovního vzduchu dle klimatické databáze použité pro předchozí energetickou simulaci t e = 7,15 C Hodnoty povrchových teplot převzaty z výsledků energetické simulace -10,0 34

35 Řešené případy - chladící stropy (3D) 35

36 Řešené případy - stabilizace teploty v komoře RICH1 (3D) t e = 35 C Zákryt Přívod vzduchu se zákrytem (v letním období) t [ C] Teplotní pole v letním období -řez středem modelu a ve vzdálnosti 0,5 od okraje komory Detailní pohled na 3D model komory RICH1 s přilehlými prvky t i = 25 C

37 Řešené případy - stabilizace teploty v komoře RICH1 (3D) Čerenkovovo záření vznikající v jaderném reaktoru 37

38 Řešené případy stěnový proud w/w max [ - ] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Porovnání bezrozměrných rychlostních profilů získaných měřením (černé body)a numerickou analýzou (modré body); model turbulence k-ε RNG 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 d/d w0,5 [ - ] w/w max [ - ] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 svislá vzdálenost od štěrbiny h = 0,5 m Porovnání bezrozměrných rychlostních profilů získaných měřením (černé body)a numerickou analýzou; model turbulence k-ω SST 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 d/d w0,5 [ - ] 38

39 Řešené případy stěnový proud Vzdálenost od štěrbiny h [m] 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 k-ε RNG k-ω k-ω SST k-ω SST Trans Vyhodnocení na základě měření Porovnání průběhů wmax vyhodnocených na základě měření s numerickou analýzou pro všechny modely turbulence; teplotní rozdíl přiváděného a okolního vzduchu t p = 6 K 3,0 3,5 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 w max [m/s] 39

40 Řešené případy stěnová výustka Výsledné rychlostní pole v rovině symetrie komory pro vstupní rychlost 1,25 m/s 3,00 2,80 Rychlostní profil 200 mm za výustí výška od podlahy (m) 2,60 2,40 2,20 2,00 1,80 1,60 Fluent PIV I 1,40 1,20 0,00 0,20 0,40 0,60 0,80 1,00 1,20 1,40 rychlost proudění vzduchu (m/s) 40