По долгу «службы» столкнулся с такой замечательной вещью, как аэродинамический расчет вентиляции. Вернее, с его реализацией в программе Model Studio CS Отопление и вентиляция. Присаживайся поудобнее, в этом материале расскажу о том, что это и как с этим работать.
Что это и зачем?
Начнем с того, что это. И, как это обычно бывает, откроем первую ссылку в этих наших интернетах по запросу «Аэродинамический расчет вентиляции».
Аэродинамический расчёт вентиляции – это определение потерь давления при движении воздуха во всех элементах системы вентиляции: воздуховодах, фасонных изделиях, решетках, диффузорах, воздухонагревателях и т.д. Зная общую величину этих потерь, можно подобрать вентилятор, способный обеспечить необходимый расход воздуха.
Различают прямую и обратную задачи аэродинамического расчета:
- Прямая задача решается при проектировании вновь создаваемых систем вентиляции. Она состоит в определении площади сечения всех участков системы при заданном расходе через них.
- Обратная задача – определение расхода воздуха при заданной площади сечения эксплуатируемых или реконструируемых систем вентиляции.
Как я понял, в рамках Model Studio CS решается как раз-таки обратная задача. И если коротко, то зная расход через элементы воздуховода и характеристики сечения мы можем получить суммарные потери давления. О методике расчета расскажу несколько позже, а пока перейдем к тому, как провести аэродинамический расчет.
Первое, что нам нужно – это модель. С нее и начнем. О ней мы можем узнать из руководства пользователя Model Studio CS Отопление и вентиляция (рекомендую, кстати, и туда иногда заглядывать, полезное чтиво). Итак, по сути модель является исходными данными для расчета. А чтобы данные были корректными, модель должна обладать следующими характеристиками:
- На конечных системах вентиляции должны быть заданы расходы воздуха. Речь идет о решетках и диффузорах. Расходы задаются в параметре «Расход воздуха» [VENT_PART_DEBIT0]. Расход может быть задан во время моделирования, а также после трассировки воздуховода. Как пишут разработчики в руководстве пользователя, существует удобный ввод расходов при помощи спецификатора. Для этого необходимо использовать профиль «Аэродинамический расчет. Расход воздуха на элементах».
- На элементах воздуховода должны быть заданы потери давления или коэффициенты местных сопротивлений. Соответственно параметры: «Коэффициент местного сопротивления» [VENT_PART_COEF_LPL], «Потеря давления на элементе, Па» [VENT_PART_LPL].
- Если необходимо более точно рассчитать «Потери давления на трение» [VENT_CALC_FPL], то необходимо указать такой параметр как «Поправка на шероховатость» [VENT_CALC_MRC].
- На осевой линии воздуховода должна быть задана «Плотность среды» [TECH_DENSITY]. Разработчики, опять же в руководстве пишут, что если значение плотности среды не задано, то по умолчанию значение принимается равным 1,2 кг/м3.
В качестве примера для расчета одновременно с этой статьей в TG канал выложу простую модель вытяжной системы противодымной вентиляции ДВ1. Модель доступна с версии программы 5997. Ниже представлено изображение системы и параметры, которые были заданы перед расчетом.
Соответственно, чтобы её скачать и протестировать все, что написано – необходимо будет перейти по этой ссылке. Ладно, скрыто-открытой рекламы себя достаточно. Двигаемся дальше. Причем дальше, по руководству пользователя.
Последовательность действий для проведения аэродинамического расчета
Разработчики предлагают следующую последовательность действий:
- Набрать в командной строке «VENT_CALCDEBIT» и нажать «Enter».
- Выбрать любую деталь воздуховода, принадлежащую рассчитываемой системе вентиляции.
- Откроется диалоговое окно выбора режима проведения аэродинамического расчета.
Тут следует остановиться и дать некоторые пояснения. При выборе режима расчета «Определить по площади сечения» программа определяет терминатор с наибольшей площадью сечения. В этом режиме именно терминатор с наибольшей площадью сечения является главной расчетной точкой с максимальным расходом воздуха.
В рамках этого материала активируем команду «Выбрать терминатор».
- Выбрать терминатор, расположенный на конце системы вентиляции. В выбранном режиме следует выбрать терминатор, который расположен в конце системы. Выбранный терминатор будет считаться главной расчетной точкой.
- После окончания расчета в командной строке появится уведомление – «Расчёт расходов вентиляции завершён».
После того, как аэродинамический расчет вентиляции завершен, в параметрах элементов системы будут отражены расчетные параметры.
Методика расчета
С последовательностью действий при аэродинамическом расчете мы разобрались. Теперь поговорим о том, какая методика используется непосредственно для расчета. Прежде всего разберемся с исходными данными. Итак, в нашем примере исходные данные для расчета:
- «Расход воздуха» [VENT_PART_DEBIT0];
- «Коэффициент местного сопротивления» [VENT_PART_COEF_LPL];
- «Плотность среды» [TECH_DENSITY]
- «Площадь сечения» [VENT_CALC_SECTION].
Последний пункт исходных данных может быть реализован двумя способами. Либо с помощью трехмерной модели (осуществляется программой), либо с помощью соответствующего параметра «Площадь сечения воздуховода, см2» [PART_VENT_SECTION_AREA], значение которого определяется пользователем.
Из последнего абзаца можно сделать вывод, что методика расчета может некоторым образом разветвляться. В зависимости от того, каким образом в расчете участвует площадь сечения элемента.
Следует добавить, что дополнительное ветвление методики расчета может возникать исходя из того, какая версия установлена у пользователя. До версии 5903 (включительно) использовалась одна методика аэродинамического расчета. В материале все эти версии мы будем называть старые версии. В более поздних версиях другая. Соответственно они будут называться новыми версиями.
В рамках данной статьи постараемся охватить все ответвления методики расчета. Как те, что зависят от площади сечения, так и те, что зависят от версии программного обеспечения.
0. Определение суммарного расхода воздуха
Расчет начинается с определения такого параметра как «Расход воздуха суммарный» [VENT_CALC_DEBIT]. Для расчета расход берется в м3/ч. Расчет производится для каждой детали от самых дальних точек до главной расчетной точки. Определяется по следующей формуле:
[VENT_CALC_DEBIT] = [VENT_PART_DEBIT0]_1 + [VENT_PART_DEBIT0]_2 + … + [VENT_PART_DEBIT0]_n
В данном случае n – это количество конечных деталей вентиляции. В представленной системе – это 5 решеток. На изображении ниже указан суммарный расход воздуха для всех деталей нашей системы.
1. Определение площади сечения
Как указано ранее, для расчета используется параметр «Площадь сечения» [VENT_CALC_SECTION]. В расчете используются м2. В данном параметре у нас будет несколько ветвлений расчета. Базово сечение элемента вентиляции может быть круглым или прямоугольным. В некоторых случаях, может быть задан такой параметр, как «Площадь сечения воздуховода, см2» [PART_VENT_SECTION_AREA]. Это создает второе возможное ветвление. И третье ветвление – это версионность программного обеспечения .
Прежде всего, разберем самый простой случай. Когда пользователем задан параметр «Площадь сечения воздуховода, см2» [PART_VENT_SECTION_AREA]. Тогда расчетный параметр:
[VENT_CALC_SECTION] = [PART_VENT_SECTION_AREA] / 10000
По сути просто перевод площади в м2.
Далее случай немного интереснее. Параметр «Площадь сечения воздуховода, см2» [PART_VENT_SECTION_AREA] не задан. В этом случае «Площадь сечения» [VENT_CALC_SECTION] вычисляется на основе параметров трехмерной модели. То есть по сути на основе габаритов. И тут мы будем разбирать два варианта. Для круглого сечения и для прямоугольного сечения. Также, как-нибудь постараемся впихнуть ветвление по версионности.
Прежде всего напомню, что геометрические размеры сечения в трехмерной модели определяются следующими параметрами:
- «Ширина воздуховода» [PART_PIPE_RECT_DIMA] – прямоугольное сечение;
- «Высота воздуховода» [PART_PIPE_RECT_DIMB] – прямоугольное сечение;
- «Диаметр воздуховода» [PART_VENT_DIAMETER] – круглое сечение;
- «Толщина стенки» [PART_VENT_THICKNESS].
Начнем с прямоугольного сечения. В старых версиях программы расчет параметра «Площадь сечения» [VENT_CALC_SECTION] определялся по следующей формуле:
[VENT_CALC_SECTION] = ([PART_PIPE_RECT_DIMA] - [PART_VENT_THICKNESS] x 2) x ([PART_PIPE_RECT_DIMB] - [PART_VENT_THICKNESS] x 2)
В новой версии формула несколько отличается. Было исключено влияние толщины стенки. Так как по сути этого влияния и не должно быть. Можно предположить, что в предыдущих версиях, когда механизм построения вентиляции был привязан к параметрам трубопроводов, толщину стенки нужно было учитывать. Таким образом, новая формула выглядит так:
[VENT_CALC_SECTION] = [PART_PIPE_RECT_DIMA] x [PART_PIPE_RECT_DIMB]
Продолжим определять расчетную площадь. На этот раз для круглого сечения. Аналогично рассматриваем сначала формулу в старой версии:
[VENT_CALC_SECTION] = PI x ([PART_VENT_DIAMETER]/2 –[PART_VENT_THICKNESS]) ^2
И в новой:
[VENT_CALC_SECTION] = PI x ([PART_VENT_DIAMETER]/2) ^2
2. Определение скорости потока
В расчете используется параметр «Скорость потока Vf» [VENT_CALC_VELOCITYF]. В расчете используются м/с. Формула для расчета этого параметра выглядит следующим образом:
[VENT_CALC_VELOCITYF] = [VENT_CALC_DEBIT] / (3600 x [VENT_CALC_SECTION])
3. Определение эквивалентного диаметра
В расчете используется параметр «Эквивалентный диаметр» [VENT_CALC_DIAMEQIV], который для расчета берется в м2. Данный параметр вычисляется только для прямоугольных сечений. Формула для расчета параметра выглядит так:
[VENT_CALC_DIAMEQIV] = 2 x ([PART_PIPE_RECT_DIMA] x [PART_PIPE_RECT_DIMB])/([PART_PIPE_RECT_DIMA] + [PART_PIPE_RECT_DIMB])
4. Определение удельных потерь давления на трения
Удельные потери давления в расчете – это параметр «Удельные потери давления на трение» [VENT_CALC_FPL_PERLENGTH]. В расчете берутся в Па/м. Определяются по следующей формуле:
[VENT_CALC_FPL_PERLENGTH] = 0,195 x ([VENT_CALC_VELOCITYF] ^1.8) / (D/100) ^1.2
В этой формуле значение D также зависит от типа сечения (круглое/прямоугольное) и от версионности. Итак, для круглого сечения в старых версиях значение D определяется следующей формулой:
D = [PART_VENT_DIAMETER] – 2 x [PART_VENT_THICKNESS]
В новых версиях для круглого сечения:
D = [PART_VENT_DIAMETER]
Для прямоугольного сечения:
D = [VENT_CALC_DIAMEQIV]
5. Определение потерь давления на трение
В расчете потери давления на трение определяются параметром «Потери давления на трение» [VENT_CALC_FPL]. Измеряются в Па. Данный параметр определяется по формуле:
[VENT_CALC_FPL] = [VENT_CALC_FPL_PERLENGTH] x L
В данной формуле L – это длина детали или трубы.
6. Перерасчет потерь давления на трения исходя из материала
Данный перерасчет происходит только в том случае, когда пользователем задан параметр «Поправка на шероховатость» [VENT_CALC_MRC]. Соответственно, если указанный параметр задан, тогда «Потери давления на трение» [VENT_CALC_FPL] определяются так:
[VENT_CALC_FPL] = [VENT_CALC_FPL] x [VENT_CALC_MRC]
7. Определение динамического давления
В расчете используется такой параметр, как «Динамическое давление» [VENT_CALC_PART_DYNPRESS]. В расчете имеет размерность – Па.
Динамическое давление определяется по следующей формуле:
[VENT_CALC_PART_DYNPRESS] = [TECH_DENSITY] x ([VENT_CALC_VELOCITYF] ^2)/2
При расчете динамического давления используется параметр «Плотность среды» [TECH_DENSITY]. Он задается в параметрах осевой линии вентиляции. В случае, если он не был задан или равен нулю, тогда программа принимает значение 1.2 для расчета.
8. Определение потерь давления
Потери давления в расчете обозначаются параметром «Потери давления» [VENT_CALC_PL]. Измеряются в Па. Расчет потерь давления зависит от того, задан ли такой параметр как «Потеря давления на элементе» [VENT_PART_LPL].
Итак, если параметр «Потеря давления на элементе» [VENT_PART_LPL] задан и НЕ равен нулю, тогда:
[VENT_CALC_PL] = [VENT_PART_LPL] + [VENT_CALC_FPL]
Если параметр «Потеря давления на элементе» [VENT_PART_LPL] не задан или равен нулю, тогда:
[VENT_CALC_PL] = [VENT_CALC_PART_DYNPRESS] x [VENT_PART_COEF_LPL] + [VENT_CALC_FPL]
В последней формуле используется параметр «Коэффициент местного сопротивления» [VENT_PART_COEF_LPL]. Если пользователь не задаст этот параметр, то в расчете будет по умолчанию равен нулю. То есть если «Коэффициент местного сопротивления» не задан, то в расчете будет принят, как ноль.
9. Определение суммарных потерь давления
Значение суммарных потерь давления хранится в параметре «Суммарная потеря давления» [VENT_CALC_NETPL]. Единицы измерения – Па. Определяется суммой значений параметров «Потери давления» [VENT_CALC_PL] со всех элементов воздуховода по аналогии с суммарным расходом воздуха.
Источники: