Sarcina proiectarii sistemelor actuale de incalzire, ventilatie si climatizare pentru constructiile civile si industriale, in vederea asigurarii cerintelor de confort, a conditiilor optime de munca si, nu in ultimul rand, a optimizarii consumurilor energetice a devenit in ultimii ani din ce in ce mai dificila.
Pana nu demult, majoritatea cercetarilor in mecanica fluidelor se realizau, in exclusivitate, prin studii experimentale costisitoare. Odata cu cresterea puterii de procesare a calculatoarelor, s-a dezvoltat o a treia abordare a cercetarii – modelarea numerica – cea care completeaza in mod sinergetic abordarea teoretica si a experimentului pur, punand la dispozitia arhitectilor si inginerilor constructori un instrument util in proiectarea cladirilor.
Exista o serie de motivatii puternice privind integrarea simularilor numerice in studiul problemelor de curgere: performante din ce in ce mai bune ale tehnicilor de calcul, preturi de producere si proiectare scazute comparativ cu studiile experimentale in laboratoare, tuneluri aerodinamice sau bazine de incercari.
Pornind de la aceste cerinte, la Universitatea „Dunarea de Jos“ din Galati, in baza unui contract finantat de Autoritatea Nationala pentru Cercetare Stiintifica, am pus bazele unui laborator de modelare numerica in mecanica fluidelor care are ca obiectiv principal dezvoltarea de parteneriate cu intreprinderi si institute de proiectare, parteneriate care vor avea ca rezultat cresterea competitivitatii economice si a inovarii.
Laboratorul beneficiaza de un sistem de calcul paralel IBM cu 60 de procesoare si de licente comerciale sau academice pentru doua dintre cele mai performante programe de modelare numerica in ingineria mecanica Ansys Airpak si platforma completa Ansys (mecanica fluidelor, structuri mecanice s.a.).
Programul Airpak permite modelarea rapida si precisa a curgerii aerului si a transferului de caldura prin convectie libera si fortata in cladiri si spatii inchise – locuinte, arene sportive, amfiteatre, parcari, hale industriale, mine, statii de metrou – fiind un instrument util in optimizarea procesului de proiectare a instalatiilor de ventilatie, incalzire si climatizare. Permite, de asemenea, studiul propagarii incendiilor in cladiri.
Airpak ofera informatii privind valorile instantanee ale campurilor de viteze, presiune, temperaturi in orice regiune a domeniului de curgere si la orice pas de timp permitand, de asemenea, vizualizarea curentilor de aer care se formeaza. Toate aceste marimi fizice pot fi obtinute tinand cont inclusiv de influenta prezentei oamenilor din incinta, luand in considerare cantitatea de caldura degajata de corpurile acestora, in functie de activitatea desfasurata, de imbracamintea pe care o poarta si alte conditii locale.
Programul Airpak ofera informatii si in ceea ce priveste unii indicatori de confort termic, cum ar fi: viteza de reimprospatare a aerului dintr-o incinta ventilata, PMV (predicted mean vote) si PPD (predicted percentage dissatisfied), calculate conform ISO 7730. PMV este un indicator global cantitativ pentru confortul termic, cu cea mai mare utilizare in randul proiectantilor cladirilor, fiind definit ca o functie de sase variabile termice: temperatura aerului, viteza aerului, temperatura radianta, umiditatea aerului, izolatia oferita de imbracaminte si activitatile desfasurate de persoanele din incinta. PPD este un indicator care ne arata numarul de persoane nemultumite din punct de vedere termic, dintr-un grup mai mare aflat intr-o incinta.
O prezentare mai detaliata a programului de modelare numerica Airpak este disponibila pe site-ul web al firmei Ansys, la adresa: www.ansys.com/products/airpak.
In scopul evidentierii calitatilor si performantelor programului Airpak, va prezentam un studiu de caz pe care l-am realizat in cadrul laboratorului de modelare numerica de la universitate.
Studiu de caz
Am modelat o problema complexa de curgere si transfer de caldura in interiorul unei incinte, tinand cont si de conditiile climatice exterioare. Practic, este vorba de o cladire cu o camera (fig. 1), cu dimensiunile Lx l xH = 6 m x 4 m x 3 m, avand pereti de caramida cu grosimea de 0,35 m, o fereastra din sticla si o usa din lemn. Incaperea este luminata de sase surse avand fiecare o putere de 34 W. In interior se afla o persoana de 80 Kg care lucreaza la un calculator cu o putere de 173 W. S-a luat in considerare si caldura degajata de corpul persoanei, care este imbracata cu un rand de haine din bumbac. Incalzirea incaperii este asigurata de o sursa de caldura prin convectie libera, cu puterea de 3.000 W. Cladirea se afla intr-un spatiu deschis in care bate un vant de la N la S cu o viteza de 5 m/s, temperatura curentului de aer fiind de -15 grade Celsius. Pornind de la aceste date initiale rezulta o problema deosebit de complexa, care implica rezolvarea simultana a trei fenomene:
(1) la interior, o problema de transfer de caldura prin convectie libera si de studiu a curentilor de aer care se formeaza;
(2) la exterior, o problema de curgere in jurul cladirii, combinata cu transferul de caldura prin convectie fortata dintre curentul de aer (vantul) si cladire. Aceste fenomene sunt cuplate la randul lor calculand simultan si
(3) fluxul termic prin peretii cladirii, de la interior spre exterior
Ca urmare a vitezei mici a vantului si dimensiunilor reduse ale cladirii, nu am calculat efectele interactiunii dintre curentul de aer si cladire neglijand problemele de rezistenta. Aceste fenomene, importante in cazul cladirilor foarte inalte pot fi, de asemenea, modelate numeric cu ajutorul programului Ansys 12.
Solutia a fost calculata cu ajutorul programelor Airpak si Fluent. Am ilustrat in articol (fig. 2 – 7) cateva imagini sugestive pentru campuri de viteze, presiuni, temperaturi, marimi specifice pentru confortul termic si curentii de aer, atat in interiorul cladirii cat si in exterior. Ca urmare a suportului fizic folosit pentru publicarea articolului, nu va putem prezenta si animatiile obtinute pentru curentii de aer care se formeaza atat la interior cat si la exterior.
Bibliografie
[1] Airpak – Manualul utilizatorului si tutorial
[2] Ansys 12.0 – Manualul utilizatorului si tutorial
[3] www.ansys.com
…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 61 – iulie 2010, pag. 40
Autor:
ing. Stefan BORDEI, prof. dr. ing. Florin POPESCU – Universitatea „Dunarea de Jos“ din Galati
Daca v-a placut articolul de mai sus
abonati-va aici la newsletter-ul Revistei Constructiilor
pentru a primi, prin email, informatii de actualitate din aceeasi categorie!
Lasă un răspuns