Введение к работе
Диссертация посвящена математическому моделированию задач внутренней аэродинамики и сопряженного теплообмена помещений и здания в целом и исследованию с помощью этих моделей разнообразных аэродинамических и тепловых задач, важных для определения воздушно-теплового режима зданий. Математической основой численного моделирования рассматриваемых задач являются: система уравнений Навье-Стокса для ламинарных течений: уравнения Рейнольдса в совокупности с голуэмпирическими моделями турбулентности для турбулентных течений; уравнения Буссшеска для описания конвективных течений; уравнения теплового излучения твердых поверхностей; уравнения теории гидравлических цепей для описания воздушно-теплового режима здания в целом.
Актуальность работы. Современная строительная наука и практика выдвигают задачи рационального использования и экономии тепловой энергии, расходуемой на обогрев жилых, общественных и промышленных здания. Для экономической важности и актуальности рассмотрения этих вопросов достаточно указать , что около 40% добываемого в стране топлива идет на теплоснабкение, а оценки специалистов показывают, что удельные капитальные вложения, направленные на экономию тепловой энергии, значительно меньше удельных вложений, необходимых для прироста добычи топлива. Одним из этапов, необходимым для комплексного решения этой обдай проблемы, является разработка методов определения воздушно-теплового режима помещений и здания в целом, способов ого регулирования и улучшение теплоэаягиты зданий.
Под воздушно-тепловым режимом (ВТР) здания понимается общий процесс обмена воздухом и теплом между помещениями здания и между помещениями и наружной средой. Составной частью этого процесса являются: сложные аэродинамические и тепловые процессы в каждом помещении ; движение воздуха через ограждения и отверстия в огравдениях. по каналам и воздуховодам; конвективные движения в замкнутых и незамкнутых воздушных прослойках, являющихся элементами ограждающих конструкция.
При изучении этих вопросов широко используются как методы Физического и натурного эксперимента, так и теоретические подхода, важной частью которых является математическое моделирование и вычислительный эксперимент. Использование методов математического
4 и численного моделирования позволяет вскрыть внутренние взаимосвязи различных элементов ВТР и протекающих в них процессов, ' дает качественные и количественные характеристики, позволяет частично <а иногда и полностью) заменить натурные испытания, так как позволяет исследовать влияние каждого фактора отдельно, уменьшить сроки исследования и, наконец, изучить влияние таких факторов, которые экспериментально рассматривать затруднительно или даже невозможно. Кроме того, по сравнению с аналитическими подходами {несмотря на безусловную важность последних), методы численного моделирования дают возможность получить более общие и точные характеристики объектов и процессов из-за отсутствия многих упрошений и ограничение, которые приходится делать при аналитическом подходе. Повышенные требования к точности расчета ВТР здаяиа вызваны двумя противоречивыми требованиями. С одной стороны необходимо обеспечить иесткув .экономию энергетических ресурсов на отопление здания в связи с резким ростом их стоимости и повышение тепловой завдггы зданий. С другой стороны, надо обеспечить нормальные условия жизнедеятельности людей и выполнение санитарно-гигиенических и технологических требований.
Сложность задач моделирования ВТР помещэниа и здания и системный подход к их решения требует создания иерархической структуры математических моделей, которые с различной степень» детализации описывают как отдельные процессы и элементы, характеризующие ВЇР, так и ВТР всего здания в делом. В диссертации разработан ряд таких моделей и они реализованы в виде комплексов программ расчета изотермических ламинарных и турбулентных течений; неизотермических течений в замкнутых и незамкнутых воздушных прослойках с учетом теплового излучения границ; исследования устойчивости в каналах с проницаемыми стенками; расчета сопряженной задачи ВТР зданий, позволяющей учитывать взаимодействие воздушного и теплового режима зданий с работой инженерных систем.
Использование разработанных методов и программ позволило провести исследования разнообразных задач аэродинамики и комбинированного теплообмена, характеризующих различные процессы, определяющие воздушно-тепловой режим отдельных помещений и здания в целом.
Цель работы состоит в анализе общей постановки воздушно-теплового режима помещений и здания в целом для формулировки Еекоторых характерных аэродинамических и тепловых задач, определяющих ВТР зданий,разработке методов их моделирования
и исследовании соответствующих физических задач.
В соответствии с общей цель» исследования в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
комбинированный теплообмен в замкнутых воздушных прослойках окон с учетом теплового излучения и неизотермичности вертикальных границ и взаимодействия с окружающей средой;
комбинированный теплообмен при естественной и смешанной конвекции в вертикальных незамкнутых воздушных слоях;
некоторые изотермические ламинарные и турбулентные течения, характерные для внутренней аэродинамики помещений;
исследование устойчивости течений в каналах с проницаемыми стенками с учетом нопараллельности основного потока;
исседование воздушно-теплового режима многоэтажных здания в сопряженной постановке, позволяющей учитывать взаимодействие вентиляции, отопления и температурного режима здания.
Научную новизку имеют следующие результаты работы:
метод исследования гидродинамической устойчивости непараллельных течений в каналах с проницаемыми степками в линейном приближении;
характеристики потери устойчивости течения в плоском канале при равномерном и одинаковом вдуве через его проницаемые стенки, подтверзденные экспериментальными данными;
характеристики потери устойчивости течения в плоском канале при вдуве через одну и таком же по величине отсосе через другую стенку канала;
- постановка, метод решения и результаты расчетов задачи о
конвекции в замкнутых воздушных прослойках окон с учетом
теплового излучения и неизотермичности границ;
постановка, метод решения и результаты расчетов естественной конвекции в незамкнутых областях с учетом излучения границ;
способ постановки "мягких" граничных условий на выходной гранита расчетной области, использующий озеенопсков приближение и позволяющий существенно уменьшить длину сеточной области;
результата расчетов и анализ ламинарного периодического струйного течения, периодического турбулентного струйного тачешш во встречном потоке, взаимодействия турбулентной пристенной завесы в канале со встречным потоком, затухания турбулентной периодической системы вихрей, полученные на базе расчетов полной системы уравнений Навье-Стокса;
\ б
- постановка сопряженной задачи воздушно-теплового режима многоэтажных жилых зданий, разработка методов ее численного решения и исследование влияния различных физических факторов иа стационарный и нестационарный воздушно-тепловой режим. Достоверность работа. При проведении работы особое внимание уделялось сравнению полученных результатов с результатами экспериментальных и теоретических работ других авторов всюду, где это представлялось возможным, и с результатам*^натурных испытаний. При численном решении задач использовались неравномерны сотки со сгущением сетки в области больших градиентов, проводились сравнительные расчеты на различных сетках, оценивались коэффициенты численной вязкости в области решения задачи. При численном решении многих из рассмотренных задач в качестве одного из условна окончания итерационного процесса при нахождении стационарного решения использовалось условие малости невязки выполнения теоремы импульсов на границах области.
Практическое зизченаз работа. Рад исследований, приведенных в диссертации, выполнялись по плавам важнейших научно-исследовательских работ Госстоя СССР и Госкомитета по наука и технике: ОНТП 0.55.04, ОНТП 0.74.08, по плану важнейших НИР Минэнерго.
Апробация работы. Основные материалы, представленные в диссертации, были доложены на заседаниях Всесоюзного семинара "Вычислительные метода механики вязкой жидкости" под руководством акад. Н.Н.Яневко (Новоскбирк.1966; Канев, 1968; Алма-Ата, 1970; Рига, 1972; Кацивели, 1974; Пермь, 1976; Махачкала, 1978; Новосибирск, 1984 >. на секции по численным методам в газовой динамике второго Меадупародного коллоквиума по газодинамике взрыва и реагирующих систем (Новосибирск, 1969), на XI зимней школе физиков-теоретиков (Киров, 1971 >, на II Всесоюной конференцки "Современные проблемы тепловой конвекции" (Пермь, 1975), на Всесоюзной школе-семинаро "Матеыатическое моделирование в нау:«э и технике" (Пермь, 1988), на школах-семинарах МГУ "Нелинейные задачи теории гидродинамической устойчивости'* (1988. 1990), на третьей международной конференции "Распределение воздушных потоков в помещении" (Альборг, Дания, 1992); на семинарах: по аэродинамика в ИГУ под руководством академика Г.И.Петрова (1965-1985), академика Г.Г.Чэрного в ЦИАМ (1965-1970), по численным методам аэродинамики е ВЦ МГУ под руководством академика Г.И.Петрова и д.ф.-м.н.,
профессора Л.А.Чудова, по численным методам решения задач тепло- и массообмзна в ИПМ All СССР под руководством д.ф.-м.н. В.И.Полежаева и д.ф.-м.н. Л.А.Чудова, кафедры аэромеханики МГУ под руководством д.ф.-м.н. В.Я.Пкадова (1990.1992), в ВЦ МГУ под руководством д.ф.-м.н. В.М.Еасконова, д.ф.-м.н. У.Г.Пирумова, д.ф.-м.н. Г.И.Рослякова, на научно-технических конференциях МГСУ, на кафедро отопления и вентиляции МГСУ.
Прблакацст. По теме диссертации опубликовано 29 работ, список которых приведен в конце автореферата.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из вводония, песта глав, заключения и списка литературы, содержащего 327 наименований. Диссертация состоит га 259 страниц текста и 92 рисунков, за-нимащих 81 страницу.