double arrow

Физическое моделирование


Математическое моделирование представляет физические процессы в упро­щенном идеализированном виде. В прежнее время, когда вычислительные воз­можности были сильно ограничены, основу изучения процессов формирования микроклимата составляло физическое моделирование .

Физическое моделирование осуществляется в натурных условиях и на геомет­рически подобных моделях. Натурные исследования проводят на действующих объектах. Возможны разовые обследования и длительные наблюдения (монито­ринг) за объектом.

Изучение свойств объекта в натурных условиях имеет преимущество досто­верности. Однако в натурных условиях затруднительно установить закономерно­сти тех или иных процессов из-за большого числа помех случайного характера. Этот недостаток скрадывается при длительном наблюдении объекта. При после­дующем осреднении результатов длительного наблюдения случайные факторы, действующие в ту или иную сторону, взаимно погашаются, проявляя таким обра­зом основную закономерность процесса.

В настоящее время имеется большое разнообразие измерителей параметров микроклимата - температуры воздуха и поверхностей, влажности и подвижно­сти воздуха, концентрации газовых примесей. Современные измерители обла­дают возможностью автономного сохранения результатов измерений за длитель­ный период и периодического считывания результатов с помощью дистанционно­го сканирования. Это позволяет размещать измерители во многих точках поме­щения.




Результаты измерений обрабатываются и хранятся в компъютере. Следует иметь в виду, что полномерное проведение мониторинга микроклимата зданий и сооружений достаточно дорогостоящее мероприятие.

Помимо натурных обследований, возможно воспроизведение процессов в лабо­раторных условиях на моделях, подобных натурному объекту. Лабораторно- модельный метод обладает рядом преимуществ перед методом исследований в натуре:

-возможностью изучения не выполненных еще в натуре объектов;

-возможностью систематического изучения влияния какого либо фактора, вы­деленного из всей совокупности влияющих на процесс факторов;

-возможностью изучения быстро протекающих явлений, неуловимых в натур­ных условиях.

Помимо этого моделирование оказывается дешевле натурных исследований.

При проведении эксперимента в натуре или на модели изучают конкретное яв­ление и на основе обобщения результатов стремятся получить основания для рас­чета других родственных явлений.

Закономерно распространять результаты моделирования можно только на по­добные явления. Применительно к моделированию процессов формирования микроклимата различают геометрическое, механическое и тепловое подобие.



Как известно из теории подобия, геометрическое подобие обусловлено равен­ством углов и пропорциональностью сходственных сторон в сравниваемых гео­метрических фигурах.

Под механическим подобием понимается пропорциональность скоростей и ус­корений двух потоков, а также подобие сил, вызывающих подобные движения.

При тепловом подобии сохраняется подобие температуры и тепловых потоков

Данные опыта можно распространять на подобные явления, у которых выпол­няются условия однозначности и численно равны определяющие критерии подо­бия..

Условиями однозначности, подлежащими воспроизведению на модели являют­ся:

-геометрическая форма моделируемого помещения;

-расположение и форма приточных и вытяжных отверстий в помещении;

-скорость движения и температура воздуха в приточных и вытяжных отвер­стиях;

-физические параметры воздуха (плотность, вязкость, теплоемкость, теплопро­водность);

-источники и стоки тепла, влаги, паров и газов (расположение и форма, темпе­ратура и концентрация, мощность).

Основными критериями механического подобия являются:

- Рейнольдса (Re), определяющий соотношение между инерционными силами и силами вязкости;

-Фруда (Fr), выражающий соотношение между гравитационными и инерцион­ными силами;

-Архимеда (Ar), характеризующий соотношение сил инерции и вытеснения;

-Эйлера (Eu), определяющий соотношений сил давления и динамическими си­лами.

Тепловое подобие определяется следующими критериями:



-Прандтля (Pr),характеризующего физические свойства воздуха;

-Пекле тепловой (Pe), аналогичный критерию Рейнольдса;

-Нуссельта (Nu), характеризующий процесс теплообмена на границе между телом и жидкостью.

Во многих случаях выполнить все условия однозначности оказывается труд­но. Здесь на помощь приходит замечательное свойство методологии моделирова­ния, называемое автомодельностью. Область автомодельности - это такая об­ласть явления, в пределах которой не требуется соблюдения равенства отдельных критериев.

Наиболее распространенным явлением автомодельности, которым широко пользуются в моделировании аэродинамических и тепловых процессов, служит движение жидкости в зоне турбулентного течения. Это обстоятельство позволяет расширить возможности моделирования, заменив потокораспределение воздуха в натурных условиях потокораспределением воды. Условия подобия будут со­блюдаться, если установлено, что течение в том и другом случае является разви­тым турбулентным. Проявлением этого условия обычно считают Re > 2320

Примером подобного случая может служить моделирование аэродинамических процессов в гидравлическом лотке (см.рис.2.4).В этом устройстве движущийся поток воздуха моделируется движущимся по рабочему столу плоским потоком воды. Если в потоке оказывается контур испытуемого предмета (например зда­ния), то задача состоит в визуализации характера движения воды в зоне возмуще­ния. Для визуализации обычно используют алюминиевую пудру, которая равно­мерно растекается по поверхности воды и не тонет.

При фотографировании модели на снимке четко видны все завихрения и линии тока воды, которые оставляют движущиеся частички пудры. Описанный прибор моделирует плоскую картину или двухмерный процесс обтекания, Известны ис­следования потокораспределения в трехмерном, объемном лотке. Например, та­ким образом проводилось исследование характера обтекания здания потоком воздуха.

Другим примером автомодельности служит процесс свободного движения жидкости, вызванного разной плотностью. Так, при> 2 х 107 закономер­ность процесса не зависит от линейного размера и температуры источника, что удобно использовать при моделировании конвективных течений и струй, не забо­тясь о равенстве критерия Архимеда в натуре и на модели.

Пересчет полученных на модели результатов подразумевают использование масштабных соотношений. Наиболее понятным является масштаб длин, рав­ный отношению размеров объекта в натуреи на модели

Масштаб длин назначается произвольно, исходя из удобных для работы размеров модели. Помимо масштаба длин используются масштабы и других моделируе­мых величин: температуры, скорости, расхода воздуха и тепловых потоков и т.д..

Масштабные соотношения, за исключением масштаба длин, назначаются ис­ходя из условия равенства определяющих критериев подобия. Это означает, что масштабы отдельных величин должны соотноситься так же, как соотносятся эти величины в критерии подобия. Поясним это обстоятельство, предварительно за­метив, что масштаб площади равен квадрату, а масштаб объема - кубу масштаба длин. Рассмотрим соотношение масштабов для случая моделирования процессов в помещении с конвективным источником. Условие однозначности, помимо со­блюдения геометрического подобия, состоит в равенстве критерия Архимеда в натуре и на модели.

Учитывая, что, получим соотношение масштабов в следующем

виде

где:

-масштаб скорости;

-масштаб разности температуры;

-масштаб температуры.

Аналогично можно вывести соотношение для других масштабов.

В качестве примера на рис.2.5 показана модель производственного поме­щения, расположенная в лаборатории и предназначенная для исследования процессов формирования микроклимата при различных вариантах систем вен­тиляции.







Сейчас читают про: