автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Математическое моделирование динамики концентраций вредных веществ в вентилируемых помещениях с нестационарными источниками

На правах рукописи

Кузнецов Сергея Николаевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ КОНЦЕНТРАЦИЙ ВРВДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВЕНТИЛИРУЕМЫХ ПОМЕЩЕНИЯХ С НЕСТАЦИОНАРНЫМИ ИСТОЧНИКАМИ

Специальность 05.23.03 - Теплоснабжение, вентиляция,

кондиционирование воздуха, газоснабжение и освещение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических вдук

Воронеж - 1995'

Работа выполнена в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии (ВГАСА)

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.Н.Мелькумов

Научный консультант - кандидат технических наук, профессор И.И.Подосин

'' Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

В.И.Полушкин

кандидат технических наук, доцент Б.П.Новосельцев

Водуцая организация - Воронежэлектронпроект

Защита диссертации состоятся "6" апреля 1995 г. в 14 час. на заседании диссертационного совота К 063.79.03 в Воронежской государственной архитектурно-строительной акадаюш по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-лэтая Октября, 84, ВГАСА, аудитория 20 корп. 3. •

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан."б" марта 1995 г.

(

/

УчЗкый секретарь

, диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ■

Актуальность работы. Значительная часть капитальных, затрат' при строительстве современных производственных зданий приходится па системы отопления и вентиляции. В ряде современных производств эта доля достигает 50 - &0%. Модернизация технологических процессов в большинстве отраслей промышленности в той или иной мере связана с повышением требований к параметрам воздушной среды производственных помещений. Вследствие этого большое значение приобретают оптимальные решения при проектировании систем вентиляции, в основе выборе которых лежит исследование полей концентраций от источников вредностей различных типов. Следует отметить, что в некоторых современных производствах оптимальный воздухообмен является необходимым условием соблюдения технологического процесса и качества продукции. При исследовании полей концентраций необходимо учитывать нестационарный характер многих источников- вредностей, действующих в производственных Помещениях.

В связи с этим вопрос исследования - динамики концентраций вредных веществ в вентилируемых помещениях с нестационарными источниками вредностей различных типов является актуальным и имеет важное значение для расчбта оптимальных' воздухообменов в помещениях.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка математической модели дщшмики концентраций вредных веществ з вентилируемых помещениях с нестационарными источниками газовых вредностей и еб реализация в виде пакета прикладных программ для ЭВМ с использованием полученных результатов для расчетов динамики концентраций и кратности воздухообменов.

Цель достигается решением комплекса вопросов, связанных с исследованием нестационарных источников газовых вредностей; разработкой математической модели динамики концентраций вредных веществ в'вентилируемых-помещениях с нестационарными источниками; проведением аналитических расчбтов по математической модели; разработкой методики расчбта концентраций вредностей и воздухообмена при действии в вентилируемом помещении нестационарных неподвижных источников газовых вредностей; разработкой пакета прикладных программ, реализующих математическую- модель; проведением численных расчбтов по математической модели при помощи пакета прикладных программ; выполнением экспериментальных исследований, подтверждающих адекватность разработанной математической модели.

Научная новизна работы. Получены зависимости для расчета количества газовых вредностей, поступающих в помещение из оборудования под давлением, учитывающие влияние внутреннего объйма оборудования. Разработана математическая модель динамики концентраций вредных веществ в вентилируемых помещениях с нестационарными неподвижными и подвижными источниками, позволяющая рассчитывать динамику концентраций как для одного помещения, так и системы сообщающихся помещений. Получены зависимости, описывающие изменение концентраций в вентилируемом помещении при истечении газов из оборудования под давлением и при действии нестационарных источников периодического действия с импульсами различной формы, которые использованы в методике расчОта концентраций вредностей и воздухообмена. Разработан пакет прикладных программ для численного моделирования динамики концентраций вредных веществ в вентилируемых помещениях с непёриодачесними, периодическими и подвижными' источниками газовых вредностей.

На защиту выносятся:

1. Зависимости, описываэдие изменение скорости выхода газовых вредностей из оборудования под давлением во времени.

2. Математическая ыодоль динамики концентраций вредных веществ. в вентилируемых помещениях с нестационарными источниками газовых вредностей.

3. Зависимости, описывавдке динамику концентраций вредных веществ в вентилируемых помещениях с нестационарными источниками.

4. Методика расчета концентраций вредных веществ и воздухообмена пр^ действии в помещении нестационарных источников..

5. Пакет прикладных программ для моделирования динамики кон- ■ цантраций вредашх веществ в вентилируемых сообщащцхся помещениях,

е. Результаты расчетов динамики концентраций, выполненные при помощи пакета прикладных прогрвм.1. .

. 7. Результаты экспериментальных исследований, подтверздащио адекватность разработанной математической модели.

Практическая цемость работы состоит в использовании результатов диссертации в отраслевых нормативных документах 15, 6, 7, 91.

■Использование перечисленных нормативных документов ь практике проектирования и производства позволило получить более эф£юк-- тивныэ шшшерше решения и снизить затраты при проектировании и • строительства промшаленша зданий я сооружений.

, Апробация работы. Основные положения и результаты работы

'докладывались на научных семинарах "Совершенствование систем очистки выбросов и поддержание микроклимата производственных зданий" (г. Пенза, 1987г.) и на научно-технических конференциях ВГАСА. (г.Воронеж, 1984-1389гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ [1-9].

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, вести глав, основных выводов, списка литературы из 103 наименований и приложений. Диссертация изложена.на 163 стр. машинописного' текста и содержит 34 рисунка, 2 таблицы и 5 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении'обоснована актуальность диссертации, сформулирована цель работы и поло?»кия, выносимые на заэдту.

В первой главе дан анализ существующее методов расч8та ско-

мецекая. Особое внимание обращено на нестационарные источники газовых вредностей. Анализ показал, что существующие методы расчёта не учитывает влияния внутреннего объема оборудования ка скорость поступления газов в помещение.

Проведан анализ методов исследования полей концентраций в производственных помещениях. Несмотря на то, что в последнее время достигнуты определенные успехи в теоретическом■ решении задач вентиляции, метод приближенного моделирования процессов вентиляции остается одним из основных методов их решения. В настоящее время имеются отработанные методики приближённого' моделирования многих вентиляционных процессов. К недостаткам приближенного моделирования, относятся: ограниченная возможность деформации модели, ограниченный маситаб времени течения процессов и, как следствие, очень ограниченные возмогяоеги по исследованию нестационарных процессов.

" В отличие от физического, математическое моделирован!!е позволяет изучать все параметры вентиляционных процессов, относящихся как-к модели, так и к реальному объекту. Методы математического моделирования позволяют с высокой точностью, быстро, з произвольном масштаба времени исследовать различные варианта протекания вентиляционных процессов. При помоди машинного моделирования с .использованием численных методов решения систем нелинейных уравнений решён ряд вентиляционных задач. Однако остается слабо изученным вопрос математического моделирования динамики концепт-

раций вредных веществ в вентилируемых помещениях с нестационарными источниками. • .'

Во второй главе призедена классификация основных типов нестационарных источников выделения вредностей, включающая неподвижные, подвижные, непериодические и периодические источники выделения вредностей.

Получены зависимости расхода газа от площади отверстия, объЗма оборудования, температуры газа и времени при политропном (1) и изотермическом (2) расширении газа в оборудовании при его истечении под давлением

G'

1 - и-

Р (t - ш)

2 7

эг + 1

Х+1 Х-1

R Т.

I * п 1- т

(1)

G

= ■ е

V-

/ * 2 Ж+1

ае-г

к + 1 V

R Т1 Я

(2)

На рис.1 приведены графики изменения относительного расхода газа, рассчитанные по зависимостям (1) и (2).

0 л& чйд ¿соУго

Рис. 1. Изменение относительного расхода хлористого водорода при критическом истечении из оборудования объемом 0,01 м3; • диаметр отверстия 0,5 мм; 1-изотермическое расширение газа; 2,3-политропное расширение газа; 2-я=1,2; 3-т=1,33

Сравнение зависимостей (1) и '(2) позволяет сделать вывод о нез-. начителыюм влиянии передачи тепла через стенку оборудования на скорость истечения газа, что да5т возможность использовать для расчетов более простую формулу (2).'

Получены аналитические зависимости расхода газа от времени для источников вредных веществ периодического действия.

. В третьей главе разработана математическая модель динамики концентраций вредных веществ в вентилируемых помещениях с нестационарными источниками газовых вредностей на основе решения уравнения турбулентного обмена.

Вентилируемое помещение или система помещений разбивается' прямоугольной сеткой координат. Заменяя частные производные по направлениям конечными разностями, получим дифференциальное уравнение материального баланса объема размером д.т, ад, и дг. Пронумеруем все объемы от 1 до п и составим для каждого из них уравнение материального баланса. Упрощая, получим систему

1 2

2f

Я1 +. K2q2 4

+ к32% +

+

кгз%' + кззЬ +

+ hrfln + + кзп%. + ^

ft .1 + ft + nt ч п2ч2

пЭ'З

+ й q '+ / (t)

nn*n ' п

Введем вектор-функции и матрицу коэффициентов

Q =

% Я*

P(t)

fjt) f3it)

f'Jt)

(3)

*,з -

йээ *Э„

ft „ ... к пп

Тогда систему можно записать в векторно-матричной форме

Q = Щ + F{t). (4)

Назовём матрицу X, описывающую массообмен в вентилируемом помещении, матрицей приведенных кратностей. Вектор-функция ? зависит от' характера и размещения источников вредных веществ. Реие-

наем системы (4) является вектор-функция С, описывающая изменение концентраций в оСьбмах.

Если рассматривается одно помещение и в вам неизвестно распределение ' воздупкых потоков и коэффициентов турсулекткого обмена, система (4) преобразуется к виду

дч щ = /<г> . (5)

Разработана математическая модель диламжи полей, кокцентра-рациЯ от подвижных источников вредностей, основанная на решении одномерного уравнения турбулентного обмана, позволяющая рассчитывать динамику концентраций при дв;п;ении источника вредностей •вдоль помещения.

В четвертой главе ьыполнэш аналитические расчЗты динамики концентраций вредных веществ при поступлении в помещение газов из оборудования под давлением. Ди^^рекдаалыюе уравнение (5) примет вид

1 V-

1 2 Х-1

< ^ /Гг,

с

-V —

2 ае-т я т

ж —.

Ет1 д

(б)

Решая дифференциальное уравнение (б) при иачальшх условиях г*0 д=0, получил

1

.9 = —т£Р. Ш '

2 эг-г V-

К эе-И < Т¥1

к - п-

? »к

г Х-1

X

л-1-1

К т.

е'^Т

-ч

X

й+1

ае»11

я т1 д

- е

Ш

(Т)

Нэ рис.2 показано ъл,шш объ5ма оборудования на динамику-кокцйкграциЯ пр;1 ист&чанкг из наго сероводорода. С увеличением обгома оборудования кгблхдаатся более резкое нарастание концентраций к рос? максимальных концентраций.

При 4ункцкодйро&ении в вентилируемом помещении источника врчддостей периодического действия с прямоугольной формой импульса дцКероиц/.зльноо уравнение (5) примет вид

- s -

qnr/л' ■M f» 1С f;. «0 да

!■ 1

! !

i i -4 /i * Г !-

/ К

О 1 !

\ п/ \ -

// i Í ! í 1

# 1 I

___1____ A- I

/i i ! i Í i ! "Г

F::c. 2. Влуяшм сбх^мп обс.рулг.кшия на д::н&м:гку концагптешй при аотвччшя сеосьадэамя пол .¡заданием; начально«» лзр-глклд 0,49 ?&1я; о<Зт"м пом-гдакгя - 300 м ; кпйтнссть ьоздухооежна-в ч*х ; -звдаугз отьерстня - 0,5 мм;

ï-ce.bïv, GC.CDïVrjBSHim - П,П~£ ч1 ; 2-0'"г"М 0'Сру,г,ов'-?Г.!'1 -0,01 -!J ; з-объг» опоаудаьипш - 0,0-1 м3; л-<»?схсда&Ч1К> боль-сой сборулэвгяшя

m .я '« air. П%~

а\щ*±.с, —р^г—о Js у -i

cl

cósn-t

<Q)

Решая дайереншальаоо урзваенга С8) при кзчалыга. усдоЕглх. t»0 получим •

]' yrr ^ j rwt M ûin пх — •g = -<т —(1 - t-2-G —° Y -2

Vfc ' Г1 V7i ' .7a,A: Г1

2s ET"--

R atrc.n-1 +--см n-

Г 2x

• f-

Безразмерная кокцентрцегя при г ■>-<" гггедт v.í*

'Г;

уч

„со 31п п% —

Ч < , о V Г

2х

соа п— - ф)

♦ 2? -^ ■ -- . . (10)

и тп I-

% Р Л г

, 2ж V 1 + п — Р.Т}

Динамика безразмерной концентрации, рассчитанная по выражению (10), приведена на рис, 3. Безразмерная концентрация периодически изменяется по величине и имеет минимум и максимум. Зависимость максимума безразмерной концентрации от безразмерного параметра М™ для импульсов различной длительности приведена на рис. 4.

На основе проведённых вычислений разработана методика расчВ-та концентраций вредностей и воздухообмена при действии в помещении нестационарных неподвижных источников газовых вредностей. Кратность воздухообмена определяется методом последовательного приближения из зависимостей:

при выходе газовых вредностей из оборудования под давлением

)

Л-и=гг*а(й1} ' " ; (11)

при функционировании в помещении источников газовых вредностей периодического действия

• * - -I:— сл »'( . (12)

1+1 У «пЛс СР 4 °

Функция Ф зависит от вида источника вредностей. Для источника вредностей периодического действия с прямоугольным импульсом вид функции Ф приведбн на рис. 4. .

' В пятой главе приводится описание пакета прикладных программ для численного моделирования динамики концентраций от непериодических, периодических и подвижных источников газовых вредностей. . Математическая модель реализована на ЭВМ Электроника-4 в виде па. кета- программ на алгоритмическом языке ГОКШИ-77. В пакет прикладных программ заложены функции, позволяющие

рассчитать критическое 'и докритичэское истечение газов из оборудования под давлением;

моделировать различные типы нестационарных неподвижных источников газовых вредностей; \

рассчитать динамику концентраций от нестационарных источников

Л5

<,0

Чср

0,5

/Л /\ - А-

V V V V \/

о

900

Ш

27Ш

t,C

Рис. 3. Динамика безразмерной концентрации при действии в помещении периодического источника с прямоугольным импульсом;

грп ■

й * 3 ч"'; Г** 0,25 ч; 0,6

Рис. 4. Изменение максимума безразмерной концентрации при дойстпии ' в помещении источника с прямоугольным импульсом

грП JЛ tJfX .

1—° =0,2; 2—Р »0,4; 3-—° »0,6; 4—° =0,8; 5-—° -1,0

Jfft Jin .Jil

газовых вредностей, размещенных в-сообщакцюссз поколениях;

.рассчитывать динамику концентраций пр-д дкоэиии исто^вко газовых врэдностеЯ вдаль помнит я.

На рис.5 пр;п*эдоны результаты расчатэ Д;гнвд:г/С1 концентрат:,! ь здании насосной, состоящем из трек понэкегекЯ, располоьлнмх ь T?si этгаа друг над другом, с даротектглом воздуха оглзу b>wjx. Размор помещений составляет 10»12»6(ft) к.

£

Л

5

О

Рис. 5. Динамика концентраций вредностей в здании насосной;

1-перЕый этак;2-второй этак;3-тротий этаж

Размер мекдузтажных проёмов 3*2 м. Кратность воздухообмена во всех шшэцениях составляет 5ч"'. Кратность аварийного воздухообмена 10 ч~'.С первого этажа но второй перетекает 10£ притока первого этв&а, со иторого этажа на третий- 20% притока второго атака. Аварийная ситуация моделировалась на первом эта»®.

Получено полное описание динашки концентраций вредных веществ, включающее: I- выход концентраций- на стационарный рекам в начальная период; II- действие в помещении 5-го этала аварийного источника; III- одновременное действие аварийного источника и ■ аварийной вентиляции; IV- снижение концентраций после отключения аварийного источника при'действии аварийной вентиляции.

Результаты расчетов динамики концентраций вредностей при. движении .источника вдоль помещения для схемы воздухообмена с подачей всего объема приточного воздуха с одного торца помещения, удалеш-л воздуха с противоположного торца и различных направлениях переиздания источника вредностей, движущегося со скоростью 0,27' м/с, представлены на рис.в. Длина помещения составляла 96 м, .ккрина 12 м и высота 6 м. Кратность воздухообмена составляла 5 ч"'.. .Интенсивность источника вредностей составляла 785 мг/с.

"При движении источников вредностей по протяженному помещению ,в одном направлений наиболее оптимальной схемой ьоздухообмена являемся схема с движением воздушного, потока навстречу источникам

!

_- 13 -

&) [Тйсоё 5

1-й»«

100

»

0

I --ив«-

1-Е01.

и

I.1

Т.

Ч

Рис. 6. Динамика концентраций вредностей при движении источшжа вредностей вдоль помещения; а - движение источника вредностей навстречу возданному потоку; о - по потоку

вредностей. При движении источников вредностей во встречных направлениях наиболее оптимальна схема воздухообмена с равномерной подачей и удалением воздуха по длине помещения. При выборе схем вентиляции протяаенных помещений с двикуетмися источниками следует максимально избегать однонаправленного дшссзнкя источника и воздушного потока, т.к. это приводит к форггированию облаков вредностей в помещении с концентрация!,и, пе'пюго прэвкзаЕщтги среднеобъемннв. ' "

- В шестом разделе приводятся экспериментальные исследования, подтверздакциэ адекватность математической модели. С этой цель» разработан и изготовлен экспэр^аяталышЯ комплекс, ЕотвчагспЭ в себя: помещение с систекекз вентиляции, подвта вредности, гвзо-

- и -

воздушного анализа, отбора проб воздуха, хроматографиеского анализа, тарировки датчиков. Погрешность экспериментальных данных не превышает 7,5%.

Результаты серии экспериментов по изучению зависимости максимума безразмерной концентрации 'от параметра kf1 для источников вредностей периодического действия с.прямоугольным импульсом приведены на ' рис. 7.' Эксперименты показали удовлетворительную точность математической модели при значении параметра Р.Т > 0,5.

Ясс

0

( 0 -

"^О..... о

кТ"

Рис. 7. Зависимость максимума безразмерной концентрации вредное, ти от значения параметра М"; —- теоретическая зависимость; о- экспериментальные данные

В -приложениях привэдены расчЗТы при помощи пакета программ. Результаты расчета истечения этилена из оборудования при изотермическом и шлитролнон расширении приведены в приложениях 1 и В приложении з даны результаты расчетов динамики концентраций вредных веществ, при.поступлении в помещение газов из оборудования под давлением. В приложении. 4 даны результаты расчета динамики концентраций в здании насосной, состоящем из трех сообщающихся помещений.

• . основные вывода

1. Получены зависимости для раочЭта количества газовых вред. ноотвй,:поступаквдх в помещение из оборудования под давлением, яра их критическом истечении, коирые, в отличив от известных, -Учитываю? 'влияние', объема оборудования на процесс истечения га-

ЗОВ.

2. Разработана и экспериментально подтверждена математическая модель динамики концентраций вредных веществ в вентилируемых помещениях с нестационарными неподвижными и подвижными источниками, позволяющая рассчитывать динамику концентраций как для одного помещения, ток и системы сообщающихся помещений.

3. Получены зависимости, Описывающие изменение концентраций в вентилируемом помещении при истечении газов из оборудования под давлениям и при функционировании нестационарных источников периодического действия с импульсами различной формы.

4. Разработана методика расчбта концентраций газовых вредностей и воздухообмена помещений с нестационарными неподвижными источниками.

5. Составлен пакет прикладах программ для численного моделирования динамики концентраций вредных веществ в вентилируемых псметениях с непериодическими, периодическими и подеикимми ;<оточ-»•■-гда;."л газовых вредностей.

в. На Сязо расчЗтоп, юляянонша прч потоки пакета прикладных программ, дани практические рокомевдсщ-л по снбору схемы воз-духообгмна np;i ¿виазии» источников вр-эдностей вдоль помявения.

СПИСОК ПУШГ*ГгСАИ;?Л ПО TI3-S ДХ.СЕРГЛШ '

1. A.c. 1563712 СССР, ГШ3 А 62 С 3/07. Огнетушитель / В.И. Коровин, В.Л. Бояагакс, С.Н. Кузнецов, В.В. Харченко; 'Воронежский государственный союзшЯ проектный институт (СССР);-11 4399931/40-12; Заявлено 29.04.83г.; Спубл. 15.05.SO, Бш. N 18, с. 39. -

2. Кузнецов С.Н., Полосин U.M. Исследование динамики пол&й концентраций в помещении с движущимися источяихеки сродчосгей// Изв. вузов. Строительство и архитектура, 1983.- N7.-0.89-92.

3. Кузнецов С.Н., Полосин ¡1.И. Исследование лннмслкн средних концентраций вредностей в объем? помещения при вваркЯнся посту»' лении вредных вец9отв//Сомр^внствог-21Е'.л систем отлете! шбросоа и поддержание микроклимата яроизводстьвлиих здежй.' 'Ш. доил. Пенза, 1987.- С. 28-29. _ '

4. Кузнецов С.Н., Полосин И.И. Исследование- скорости поступления вредностей в помещение при свободном разливе испориьзей-ся хидкости//СовервенстЕование систем счистки ьыбросоа и поддержание микроклимата производственных зданий. Тез. докл. Пенз-ч, 1967, - С. 29-30. - '

5. Методика оценки пожаровзрывоопасности систем местных отсосов. - М., 1988.- 33 с. •

6. Перечень зданий и помещений, подлежащих оборудованию установками автоматического пожаротушения и автоматической попарной сигнализацией, М., 1990.- 42 с.

7.-Перечень помещений производственного и складского назначения с категориями по взрывопокарной и пожарной опасности, М., 1987. - 142 с.

8. Полосин И.И., Кузнецов С.Н. Исследование полей концентраций вентилируемых помещений экспериментально-вычислительным ме-

. тодом//Иза. вузов- Строительство и -архитектура, 1985,- N5.-С.86-90:

9. Указания по проектированию производственных участков с применением гидридннх газов. - М., 1986.- 30 с.

условные обозначения

О ~ начальный и текущий расход газа, мг/с; г) - коэффициент расхода отверстия; F -площадь сечения отверстия, м2; -внутренний объбм оборудования, мэ; к - показатель адиабаты; га -показатель политропы; Т} - начальная температура газа в оборудовании, К; Я - универсальная газовая постоянная, Дх/(кмоль К); и - молярная масса, кг/кмоль; г - время, с; д - средняя по объёму концентрация вредности, мг/м3; д - средняя по времени и объёму концентрация вредности, мг/м3: к - кратность воздухообмена, ч-1; V- объём помещения, м3; - длительность импульса выделения вредностей, с; У"- период выдйления вредностей, с; среднее по времени выделение вредности, мг/с; х - ось координат, направленная вдоль помещения, м;2 - длина помещения, м.

о - •

щ

Лицензия Н 020450 ОТ 4.05.1992г. '

Подл, в печат. 1.03.95. Формат 60« 84 1/16.

Уч-изд.л 1,0. Усл. печ. 1.1. Бумага для множит, аппаратов

Тираж-100 экз. Заказ К 53.

Отпечатано на ротапринте ВГАСА, 394006 Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84. .