СУДОСТРОЕНИЕ
ОПТИМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ВОЗДУХООБМЕНА В ЗАМКНУТЫХ СУДОВЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ
С. Б. Старцев, канд. техн. наук (ГНЦ ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова), Б. А. Старцев (ГНЦ ЦНИИТС)
При проектировании и строительстве судов и кораблей одним из важных вопросов является расчет вентиляционных систем. При бесконечном многообразии форм и размеров замкнутых судовых помещений и отсеков качество воздухообмена должно отвечать требованиям санитарно-гигиенических норм. Особенно сложно обеспечение этих требований при строительных работах (окраска, сварка), требующих повышенного уровня циркуляции воздуха и проводящихся при использовании переносных вентиляционных установок. Стационарные и переносные системы вентиляции должны быть рационально размещены (места подачи и отсоса воздуха), а условия их эксплуатации (расход, скорость подачи воздуха) близки к оптимальным. Перечисленные требования легли в основу комплексного подхода к решению задач проектирования вентиляционных систем. Специалистами ЦНИИТС и ЦНИИ им. академика А. Н. Крылова проведены экспериментальные и теоретические исследования по созданию расчетного метода определения оптимальных режимов вентиляции в замкнутых пространствах.
Для определения эффективности вентиляции судовых помещений разработана программа расчета на ПЭВМ воздухообмена в замкнутых пространствах. Математическая модель процесса переноса воздушных масс основана на решении системы уравнений Навье—Стокса при удовлетворении условиям неразрывности и заданным граничным условиям, отвечающим геометрии судового помещения [1]. В вентилируемом объеме учитывается диссипация энергии, а также потери энергии вследствие внезапного расширения и сужения потока в местах подачи и отсоса воздуха. Задача решается для установившегося режима воздухообмена при условии сохранения баланса энергии. Разработанная программа учитывает влияние специфических зон вентилируемого помещения в местах подачи и отсоса воздуха, описывая перемещение частиц воздуха по уравнениям струйных и сточных течений, что существенно повышает достоверность получаемых результатов [2].
Объемная модель судового помещения с размещением вентиляционной системы представлена на рис. 1.
Модель позволяет варьировать геометрические размеры замкнутых пространств и условия процесса вентиляции, основные из которых — расход воздуха О, диаметры входных 0вх и выходных отверстий 0вых, их геометрическое расположение хвх, увх, zвх, ^ Увы^ ^„х ск°р°сть подачи мздух^ количество контрольных точек (по осям), критерий застойных зон (по значению скорости воздуха).
Для конкретных исходных данных (геометрия помещения, система вентиляции) рассчитывается трехмерное поле скоростей воздушных масс внутри объема в контрольных точках (и., V, м). По значению модуля скорости У. = У и.2 + VI2 + м^2 проводится анализ эффективности воздухообмена.
Составляющие вектора скорости и, V, м соответственно по осям Х, У и Ъ представлены в следующей форме:
и = Аоу(Н - у) z(B - z) + Цх) ф'(у) у'Ы ;
V = АГ(х) ф(у) ; (1)
м = -(1 + А) Г(х) ф'(у) ,
где А0, А — постоянные величины.
В таком представлении выражения для составляющих скорости (1) обеспечивают выполнение условия неразрывности [2].
Первое слагаемое в выражении для и определяется постоянным расходом воздуха (О) вдоль оси ОХ — А0 = 36О/(НВ)3.
Для удовлетворения граничным условиям на стенках объема представим функции ф, у в следующем виде:
f(x) = 0,50 [1 - соБ^л^х//.)] ;
ф(у) = 0,5 [1 - соз(2лК2у/Н)] ; (2)
у^) = 0,5 [1 - соз(2л^/В)] ,
где 0 — постоянная, определяющая величину возмущенного движения; К^ К2, К3 — волновые числа, характеризующие масштабы возмущений по координатам Х, У, Ъ.
Величины А, К^ К2, К3 находятся с учетом геометрических параметров, связанных с положением отверстий на стенках помещения и с их относительными поперечны-
СУДОСТРОЕНИЕ 5'1VW
СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА
гии в объеме равны сумме AE и AE„
расш
суж
1
F
AE = 0,5Q3[(-)(1--)2 +
F2 НВ
вх
(3)
1
F
+ (—-)(1--)а75] ,
2F НВ
вых
где Fвх, Fвых — площади входного и выходного отверстий, м2.
При турбулентном характере течения воздуха для определения суммарной диссипации энергии в вентилируемом объеме коэффициент кинематической вязкости возду-
ха V следует заменить на кажущуюся турбулентную кинематическую вязкость [4]:
е = Xi(u
max Umin)b ,
(4)
Рис. 1. Модель судового помещения
ми размерами. Волновые числа могут принимать целые значения: 1, 2, 3,.... Для их выбора необходима информация о количестве вихревых зон (количестве вихрей), размещающихся на отрезках !., Н, В. Волновые числа выбираются по результатам экспериментальных исследований. Параметр О, характеризующий масштаб вихреобразований в данном объеме, рассчитывается исходя из энергетических соотношений, определяющих приток энергии в объем и ее диссипацию вследствие сил вязкости.
где Xi = 0,04 — постоянная величина; b — характерная ширина зоны перемешивания (целесообразно
принять b = ^HB), м; umax - umin —
разность продольных скоростей в зоне перемешивания, м/с.
Таким образом, с учетом равенств (1)...(4) можно получить уравнения для расчета поля скоростей в объеме.
Вблизи отверстий нагнетания и отсоса воздуха течение воздушных масс существенно отличается от перемещений частиц воздуха, описываемых уравнениями (1). В районе подачи воздуха поле продольных скоростей описывается известными [3] соотношениями теории свободных турбулентных струй (таблица).
Рис. 3. Зависимость эффективности вентиляции п от диаметра входного отверстия йвх
рости больше или равен заданной величине. Количество точек объема, в которых не удовлетворяются условия критерия П1, определяет качество продувок отсека. При этом результаты определяются процентным отношением П1 = п1/п0, где п0 — общее количество контрольных точек объема.
С помощью разработанной программы выполнены системные расчеты вентиляции судовых помещений. На основе этих данных исследовано влияние на эффективность вен-
Расстояние от входного отверстия Х = Радиус струи К/Квх Распределение скоростей u/Vo*
от 0 до 12,4 > 12,4 * Vo — средняя скорость 1 + 0,14(x/RJ 0,22(x/RJ на выходе из отверстия, м/с. [1 - 0,93(R/x)1,5]2 [1 - (R/x)1,5]2
Рис. 2. Зависимость эффективности вентиляции п от формы поперечного сечения отсека:
I — V = 500 м3(1. = 20 м); 2 — V = 1000 м3 и = 40 м)
Приток энергии в объем за единицу времени определяется потерями энергии струи при внезапном расширении ЛЕрасш и аналогичными потерями при внезапном сужении АЕсуж сечения потока. Общие потери энер-
В зоне отверстия, отводящего воздух из помещения, продольная составляющая поля скоростей воздушных масс описывается следующим уравнением:
Q
х - L
u = -
2п Шх - L)2 + (у - yj2 + (z - zj2]
x + L
2Ц5
[(x + L)2 + (у- у )2+(z- z )2]
u 1 xi /вых' > вых' J
211,5
(5)
где и — длина судового отсека, м;
О — расход ^здуха м3/с; Хвы^ Увы^ твых — координаты центра вытяжного отверстия, м; х, у, т — координаты контрольной точки, м.
Формулы для определения величин вертикальной V и боковой w составляющих поля скоростей потока имеют структуру, аналогичную зависимости (5).
Критерием эффективности вентиляции является значение скорости, определяемое санитарно-гигиеническими нормами. Воздухообмен в ¡-й точке пространства считается удовлетворительным, если модуль ско-
тиляции следующих факторов условий воздухообмена: форма поперечного сечения судового отсека (рис. 2); геометрические параметры входного и выходного вентиляционных отверстий (рис. 3, 4); расход подаваемого воздуха (рис. 5); расположение отверстий подачи воздуха по высоте и ширине отсека (рис. 6); удлинение судового помещения 1/Н; волновые числа К1, К2, К3, характеризующие количество вихревых структур в исследуемом объеме по осям системы координат X, У, 1.
По результатам системных расчетов сформулированы основные
Рис. 4. Зависимость эффективности вентиляции п от диаметра выходного отвер-
СГИЯ йвых:
I — и = 20 м; 2 — и = 5 м
+
+
СУДОВЫЕ СИСТЕМЫ И УСТРОЙСТВА
СУДОСТРОЕНИЕ
п,,% 60
20
0 2,5 7,5 12,5 и.х' м/с
Рис. 5. Зависимость эффективности вентиляции п от скорости подачи (расхода) воздуха
рекомендации по обеспечению оптимальных режимов вентиляции замкнутых пространств:
при фиксированном расходе воздуха следует стремиться к уменьшению диаметра технологического выреза подачи воздуха;
диаметр выреза для отвода воздуха желательно делать больше (в разумных пределах) для того, чтобы давление в помещении заметно
О 40 80 у., у.,.,%
Рис. 6. Зависимость эффективности вентиляции п от расположения входного отверстия при перемещении входного отверстия по диагонали (I) и высоте (2)
не повышалось, что привело бы к уменьшению скорости воздуха;
оптимальным местом расположения подачи и отвода воздуха для объемов в форме прямоугольных параллелепипедов является область вблизи точки пересечения диагоналей торцевых стенок;
наилучшие условия вентиляции при прочих равных факторах обеспечиваются в отсеках с отно-
сительным удлинением порядка единицы.
Заключение. 1. Разработана математическая модель определения трехмерных полей скоростей в замкнутых судовых помещениях различной конфигурации при произвольных режимах вентиляции.
2. Создана программа расчета на ПЭВМ эффективности воздухообмена с выбором оптимальных условий вентиляции.
3. Достоверность практического использования разработанной программы доказана сравнительной оценкой полученных результатов с данными экспериментов на моделях судовых отсеков.
Литература
1. Кочин Н. Е., Кибель И. А., Розе Н. В. Теоретическая гидромеханика. Ч. 1. М.: ГИТТЛ, 1955.
2. Талиев В. Н. Аэродинамика вентиляции. М.: Стройиздат, 1979.
3. Гиневский А. С. Теория турбулентных струй и следов. М.: Машиностроение, 1969.
ТЕХНИКА ТРУБНЫХ СОЕДИНЕНИЙ ФИРМЫ STRAUB
В настоящее время судостроение характеризуется избыточными мощностями верфей. Это обстоятельство настоятельно требует создания новых концепций и технологий. На примере техники трубных соединений фирмы БИ^ЛиВ показан путь в этом направлении.
Снижение расходов начинается уже при проектировании системы трубопроводов, если вместо обычной жесткой системы соедине
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.