PARAMETRICKÁ STUDIE PRŮBĚHU RYCHLOSTI PROUDĚNÍ V PULTOVÉ DVOUPLÁŠŤOVÉ PROVĚTRÁVANÉ STŘEŠE NA VSTUPNÍ RYCHLOSTI TOMÁŠ BARTOŠ, JAN PĚNČÍK Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Veveří 331/95, 602 00 Brno Abstract: Studium proudění a jeho modelování je zaměřeno především na návrh dvouplášťových provětrávaných střech, které jsou v českých normách doporučovány pro budovy s vlhkým provozem. Pro modelování je využit program ANSYS [1], který využívá metodu CFD. Základním problémem návrhu provětrávaných dvouplášťových střech je navržení optimální tloušťky vzduchové mezery. Z prvních modelů bylo zjištěno, že minimální výška přiváděcího otvoru je 0,3 m, při menší výšce proud vzduchu nepronikne do vzduchové mezery, ale odrazí se od atiky a stočí se nad střechu. Ze studie vyplývá, že rychlost proudění v bodě uprostřed vzduchové mezery je v drtivé většině menší, než v přiváděcích a odváděcích otvorech. V tomto bodě také rychlost poměrně kolísá, oproti bodům v otvorech, v nichž je závislost rychlosti proudění na rychlosti větru poměrně stabilnější, viz Graf.1. Maximum rychlosti ve vzduchové mezeře nastává pro rychlost 14 m.s -1, a to 12.75 m.s -1. Keywords: dvouplášťové střechy, metoda CFD, rychlost proudění, větraná mezera 1 Úvod Studium proudění a jeho modelování je zaměřeno na návrh dvouplášťových provětrávaných střech, které jsou v normách doporučovány pro budovy s vlhkým provozem. Pro modelování je využit program ANSYS [1], který pro analýzu využívá metodu CFD. Základním problémem návrhu provětrávaných dvouplášťových střech je navržení optimální tloušťky vzduchové mezery. Například v české normě ČSN 73 1901:1999 Navrhování střech - Základní ustanovení" je uvedeno, že minimální tloušťka větrané vzduchové vrstvy, určené pro odvod vodní páry difundující do střešní konstrukce, je při sklonu střešního pláště do 5 (8.75%) minimálně 100 mm pro střechu s délkou do 10 m. Pro odvod vody technologické a zabudované do konstrukce je minimální tloušťka vrstvy 250 mm pro střechu do 10 m délky. Tyto předpoklady zahrnují vliv tepelně technických vlastností dolního pláště, atiky a horního pláště střechy. Tudíž větrání probíhá i za bezvětří díky komínovému efektu. Plocha přiváděcích otvorů by měla odpovídat minimálně 1/400 plochy střechy, odváděcí otvory pak o 10% větší. 2 Výpočtový model Pro studii závislosti rychlosti proudění vzduchu ve vzduchové mezeře dvouplášťové střechy byla zvolena pultová střecha; zkoumané body byly umístěny do přiváděcího otvoru (bod A), do středu vzduchové mezery (bod B) a do odváděcího otvoru (bod C, viz. Obr.2.). Směr proudění vzduchu probíhá v kladném směru souřadnicové osy x, a nabývá hodnot 1 m.s -1 až 20 m.s -1, tj. 3.6 km.h -1 až 72 km.h -1. Výsledný model pevné překážky (tedy zkoumaného objektu) má celkovou výšku 11.3 m a délku 16 m. Okrajové podmínky byly zvoleny tak, že na vstupní straně (inlet) má vítr počáteční rychlost 0 až 20 m.s -1, na horní straně výpočtového modelu je nulová rychlost ve směru souřadnicové osy y, na výstupní straně (outlet) je nulový tlak, a na spodní hraně a všech obvodových liniích překážky jsou rychlosti V x a V y nulové. 1
K popisu proudění je použit standardní k-ε model turbulence, při výpočtu byly uvažovány materiálové charakteristiky vzduchu: hustota ρ=1,205 kg.m -3, kinematická vazkost v=15.0 10 6 m 2.s -1. V y = 0 m.s -1 Vx = 0 až 20 m.s -1 p = 0 Pa 50m 60m V x = 0 m.s -1, V y = 0 m.s -1 14m 60m Obrázek 1 - Výpočtový model a okrajové podmínky Obrázek 2 - Umístění bodů, ve kterých je zjišťována rychlost proudění vzduchu 3 Postup výpočtu První studie, zjištění minimální tloušťky vzduchové mezery, byla nejprve provedena pro výšku přiváděcího otvoru 200 mm, posléze pro 300 mm. Pro tuto studii byly zvoleny rychlosti vzduchu 5, 10, 15, 20 m.s -1. 2
Druhá parametrická studie - analýza metodou CFD byla provedena pro rychlosti 1 až 20 m.s -1, vždy s krokem 1 m.s -1. Analýzy byly provedeny pro objekt s výškou větrané mezery 300 mm. Z každé jednotlivé analýzy byly určeny a zaznamenány tři hodnoty rychlostí (viz. Tab.1.). 4 Výsledky Po provedení simulací průběhu proudění byly zjištěny tři hodnoty rychlostí ve sledovaných bodech (pevně stanovených uzlech) pro každou vstupní rychlost 1 až 20 m.s -1. V tabulce jsou barevně zvýrazněny maximální a minimální hodnoty. Na obrázcích 4 až 9 je porovnán průběh rychlostí V sum pro rychlosti V x = 5 a 17 m.s -1. Tyto rychlosti byly vybrány z důvodu názornosti polohy maxima V sum. Obrázek 4 - Průběh rychlosti V sum pro vstupní rychlost V x = 5 m.s -1 Obrázek 5 Průběh proudění v místě přiváděcího a odváděcího otvoru (pro vstupní rychlost V x = 5 m.s -1 ) 3
Obrázek 6 Průběh rychlosti Vsum pro vstupní rychlost V x = 17 m.s -1 Obrázek 7 - Průběh proudění v místě přiváděcího a odváděcího otvoru (pro vstupní rychlost V x = 17 m.s -1 ) Obrázky 4 a 6 dokumentují vliv vstupní rychlosti na rozložení pole rychlostí vzduchu V sum. Z obrázku 4 vyplývá, že oblast s maximální rychlostí se pohybuje nad okrajem horního pláště na straně přiváděcího otvoru, při vyšších rychlostech se maximum pohybuje směrem k odváděcímu otvoru (Obrázek 6). 5 Zhodnocení Z prvních modelů bylo zjištěno, že minimální výška přiváděcího otvoru je 0,3 m, při menší výšce proud vzduchu způsobený větrem nepronikne do vzduchové mezery, ale odrazí se od atiky a stočí se nad střechu. Ze studie vyplývá, že rychlost proudění v bodě uprostřed vzduchové mezery je v drtivé většině menší, než v přiváděcích a odváděcích otvorech. V tomto bodě také 4
rychlost poměrně kolísá, oproti bodům v otvorech, v nichž je závislost rychlosti proudění na rychlosti větru poměrně stabilnější, viz Graf 1. Maximum rychlosti ve vzduchové mezeře nastává pro rychlost 14 m.s -1, a to 12,75 m.s -1. Obrázek 8 - Porovnání proudnic uvnitř vzduchové mezery při 5 m.s -1 a 17 m.s -1 Z analýzy vyplynuly tři kombinace popsané v Tabulka 1 jako I, II, III. Nejčastěji se vyskytující je kombinace I, konkrétně v 15-ti případech. V této kombinaci nabývá rychlost maximálních hodnot v odváděcím otvoru. Minimální hodnoty rychlosti jsou pak v bodě uprostřed dutiny. Ve třech případech (II) má rychlost maximální hodnoty v přiváděcím otvoru a minimální v mezeře. Pouze ve dvou případech (III) je rychlost vzduchu v mezeře větší, než v přiváděcím otvoru. Tabulka 1 Výsledky rychlost V x [m.s -1 rychlost V sum ] přiváděcí otvor bod v mezeře odváděcí otvor 1 0,75317 0,26272 1,04514 I 2 1,80195 0,26699 1,60415 II 3 4,60814 0,62467 5,27084 I 4 5,57763 0,67770 6,15392 I 5 6,66012 0,90447 7,28555 I 6 7,31886 1,71301 8,31176 I 7 8,65146 2,73901 9,29120 I 8 8,88524 4,08399 10,24299 I 9 7,81994 1,19985 7,00714 II 10 7,08890 2,54019 8,55631 I 11 8,08725 7,97315 10,25253 I 12 8,50415 3,04990 10,26602 I 13 9,47239 7,65167 12,52798 I 14 12,32121 12,75146 15,31004 III 15 11,50827 12,72782 15,90311 III 16 13,97538 10,14023 19,47644 I 17 13,22359 10,66820 17,94950 I 18 15,17159 11,07827 20,42625 I 19 14,83043 8,67031 20,85277 I 20 20,54643 6,40068 18,11052 II 5
Graf 1 Výsledky Literatura [1] ANSYS, Inc. 14. [2] ČSN EN 1991-1-4:2007 Zatížení konstrukcí - Část 1-4 - Obecná zatížení - Zatížení větrem. Praha: ÚNM [3] ČSN 73 1901:1999 Navrhování střech - Základní ustanovení" Poděkování Příspěvek vznikl s pomocí projektu specifického výzkumu řešeného na na FAST VUT v Brně. Registrační číslo projektu je FAST-S-12-20/1650. Kontaktní adresa: Ing. Tomáš Bartoš Vysoké učení technické, Fakulta stavební, Veveří 331/95, 602 00 Brno Ing. Jan Pěnčík, PhD. Vysoké učení technické, Fakulta stavební, Veveří 331/95, 602 00 Brno 6