научная статья по теме ОПТИМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ВОЗДУХООБМЕНА В ЗАМКНУТЫХ СУДОВЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ САНИТАРНО9ГИГИЕНИЧЕСКИХ НОРМ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «ОПТИМАЛЬНЫЕ УСЛОВИЯ ВОЗДУХООБМЕНА В ЗАМКНУТЫХ СУДОВЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ САНИТАРНО9ГИГИЕНИЧЕСКИХ НОРМ»

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Машиностроение»