Моделирование индустриальных вентиляционных систем: проблема создания 3D-модели расчетной области
Автор: Шафран Юрий Владимирович, Хоперсков Александр Валентинович
Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu
Рубрика: Компьютерное моделирование
Статья в выпуске: 2 (33), 2016 года.
Бесплатный доступ
Численное моделирование газодинамических течений лежит в основе изучения вентиляционных течений и устройств, проблем аспирации. В связи с этим важной задачей представляется построение численных сеток для геометрически сложных индустриальных помещений с применением системы автоматизированного проектирования. Рассмотрены преимущества, недостатки и проблемы построения регулярной прямоугольной расчетной сетки для крупных индустриальных помещений. Представлен алгоритм преобразования трехмерной модели, составленной из набора базовых фигур, в вычислительную сетку с выбором граничных условий для всех граней каждой ячейки. Приведено описание разработанного программного обеспечения, решающего задачи построения модели и ее дискретизации.
Газодинамика, 3d-модель, расчетная сетка, дискретизация, граничные условия, программное обеспечение, система автоматизированного проектирования
Короткий адрес: https://sciup.org/14969012
IDR: 14969012 | УДК: 519.6+533 | DOI: 10.15688/jvolsu1.2016.2.6
Modeling of industrial ventilation systems: design issue of 3D computational mesh
Numerical simulation of gas dynamics flows is the basis of the study of air currents and ventilation devices, aspiration problems. Therefore, an important task is construction of numerical grids for geometrically complex industrial premises using computer-aided design system. The main problem discussed in the article is converting threedimensional models composed of basic shapes (rectangles, cylinders, hemispheres, cones, and pyramids) to regular rectangular grids with the choice of boundary conditions for all facets of each cell. A regular rectangular grid is chosen to use for large industrial facilities due to its access pattern which fits for parallel processing on GPU well. Disadvantages of used grid type appear in representation of rounded and inclined shapes. Graphic user interface of developed software allows constructing threedimensional models composed of basic shapes with definition of boundary conditions for each surface of them. Four types of boundary conditions are supported for separate definition of three variables (velocity, pressure, and temperature) in ghost cells. The algorithm to obtain computational grid consists of three stages. At first there is searching of cells which are inside userdefined shapes. These cells need to have boundary conditions for each facet. To determine whether the cell is inside the shape cell center is brought to coordinate system of this shape. The next step is fulfilling constraints which demand that every cell must have at least one neighbor cell of the same type (either computational or ghost) along each axis. The final step is defining of boundary conditions for each facet of ghost cells. A facet gets boundary conditions from shape surface which is nearer in space and in angle between perpendiculars (facet normal and surface normal). Sample workshop with dimensions 320 ´ 90 ´ 42 m is described to examine developed software. Modelled velocity and temperature distributions after 60 seconds are provided.
Список литературы Моделирование индустриальных вентиляционных систем: проблема создания 3D-модели расчетной области
- Аверкова, О. А. Аэродинамика противопылевой вентиляции. Методы математического моделирования, вычислительный и натурный эксперимент, практические рекомендации/О. А. Аверкова, И. Н. Логачев, К. И. Логачев. -LAP Lambert Academic Publishing, 2012. -432 с.
- Аверкова, О. А. Отрывные течения в спектрах вытяжных каналов/О. А. Аверкова, И. Н. Логачев, К. И. Логачев. -Институт компьютерных исследований, 2012. -288 с.
- Автоматизация систем вентиляции и кондиционирования воздуха/Е. С. Бондарь, А. С. Гордиенко, В. А. Михайлов, Г. В. Нимич. -Киев: ТОВ «Видавничий будинок “Аванпост-Прим”», 2005. -560 с.
- Бошняков, Е. Н. Аспирационно-технологические установки цветной металлургии/Е. Н. Бошняков. -М.: Металлургия, 1987. -160 с.
- Волков, О. Д. Проектирование вентиляции промышленного здания/О. Д. Волков. -Харьков: Выща школа, 1989. -240 с.
- Имитационное моделирование воздушных потоков при разгрузке вагонов в приемную воронку корпуса крупного дробления/О. А. Аверкова, К. В. Плотников, Е. И. Толмачева, Д. А. Емельянов, А. К. Логачев//Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. -2015. -№ 5. -С. 134-139.
- Кузьмин, Н. М. Численный код для расчета аспирационных течений в промышленных цехах/Н. М. Кузьмин, М. А. Бутенко//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2015. -№ 5 (30). -С. 52-60. - DOI: 10.15688/jvolsu1.2015.5.4
- Логачев, И. Н. Аэродинамические основы аспирации: монография/И. Н. Логачев, К. И. Логачев. -СПб.: Химиздат, 2005. -659 с.
- Программное обеспечение для оптимизации системы вентиляции крупных промышленных цехов/Ю. В. Шафран, М. А. Бутенко, Н. М. Кузьмин, А. В. Хоперсков//Современные информационные технологии и ИТ-образование: cб. избр. тр. IX Междунар. науч.-практ. конф./под ред. проф. В. А. Сухомлина. -М.: ИНТУИТ.РУ, 2014. -C. 509-517.
- Программный комплекс для расчета структуры сложных нестационарных вентиляционных течений: свид-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2013662163; зарегистр. 02.04.2014/М. А. Бутенко, А. В. Хоперсков, С. А. Хоперсков.
- Формирование нестационарных режимов при моделировании аспирационных течений: неустойчивость Кельвина -Гельмгольца/А. В. Хоперсков, В. Н. Азаров, С. А. Хоперсков, Е. А. Коротков, А. Г. Жумалиев//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2011. -№ 1 (14). -С. 151-155.
- Хоперсков, А. В. Численное моделирование вентиляционных течений в промышленных помещениях/А. В. Хоперсков, Ю. В. Шафран, М. А. Бутенко//Южно-Сибирский научный вестник. -2014. -Вып. 2 (6). -С. 98-102.
- Jin, L. A Research of a Bidirectional Ventilation Device to Improve Indoor Environment/Lei Jin, Zhehua Liu, Yuanquan Liu//Procedia Engineering. -2015. -Vol. 121. -P. 1913-1918. - DOI: 10.1016/j.proeng.2015.09.175
- Logachev, I. N. Industrial air quality and ventilation: controlling dust emissions/I. N. Logachev and K. I. Logachev. -Boca Raton: CRC Press, 2014. -417 p.
- Ma, Yu. Numerical Simulation of PM2.5 Distribution in Indoor Air/Yuting Ma, Yiqiang Jiang, Lan Li//Procedia Engineering. -2015. -Vol. 121. -P. 1939-1947. - DOI: 10.1016/j.proeng.2015.09.183
- Modeling separated flows using stationary discrete vortices/O. A. Averkova, I. V. Kryukov, K. V. Plotnikov, E. I. Tolmacheva, I. V. Khodakov//Modern Applied Science. -2015. -Vol. 9, № 3. -P. 291-298. -DOI: 10.5539/mas.v9n3p291.
- Teodosiua, C. Numerical Prediction of Thermal Comfort and Condensation Risk in a Ventilated Office, Equipped with a Cooling Ceiling/Catalin Teodosiu, Viorel Ilie, Raluca Teodosiu//Energy Procedia. -2016. -Vol. 85. -P. 550-558. - DOI: 10.1016/j.egypro.2015.12.243
- Toro, E. F. Riemann Solvers and Numerical Methods for Fluid Dynamics/E. F. Toro. -A Practical Introduction. -1999. -624 p.
- Simulation of Wind Speed in the Ventilation Tunnel for Surge Tanks in Transient Processes/Jiandong Yang, Huang Wang, Wencheng Guo, Weijia Yang and Wei Zeng//Energies. -2016. -Vol. 9, iss. 2. -P. 95-110. - DOI: 10.3390/en9020095
