Моделирование вентиляционных систем в туннелях

Технологии
Моделирование
вентиляционных систем
в туннелях
Авторы: Ana Belen Amado, Zitron, Gijon, Испания,
Carlos Garcia, Roberto Garcia, ANSYS, Inc.
Во всем мире туннели являются неотъемлемой
частью путей сообщения, в связи с этим, чрезвычайно важно гарантировать высокий уровень
безопасности и обеспечить необходимую вентиляцию объектов. Вентиляционная система туннеля должна обеспечивать приемлемое качество воздуха для людей, находящихся в туннеле.
Кроме того, в чрезвычайных ситуациях необходимо обеспечить быструю и безопасную эвакуацию. При моделировании подобных вентиляционных систем возникает ряд инженерных проблем ввиду сложности физических процессов.
Кроме того, в связи с большой протяженностью
туннелей, возникает проблема больших размеров области решения.
Сравнение с экспериментальными данными показало, что гидродинамические расчеты
позволяют точно моделировать режимы течения
и перепады давлений в туннелях любой длины.
Испанская компания Zitron, занимающаяся проектированием и производством вентиляционных
систем для транспортных туннелей, в течение
многих лет использует гидродинамические ком-
Òóííåëü Calle-30 (Ìàäðèä). Âûòÿæíûå
âåðòèêàëüíûå âåíòèëÿòîðû: äèàìåòð 2800 ìì,
ìîùíîñòü íà åäèíèöó 630 êÂò
www.ansyssolutions.ru
плексы для инженерных расчетов, что обеспечивает ей конкурентное преимущество на рынке.
На протяжении 45 лет работы компания успешно разработала сотни проектов, включая такие
туннели, как Guadarrama (Испания), San Gottardo
(Швейцария), Rennsteig (Германия). На более
чем 100 станциях мадридского метрополитена
установлены аварийные системы вентиляции
компании Zitron.
Ввиду сложности подобных вентиляционных систем, изготовление архитектурных макетов — достаточно дорогостоящий и длительный
процесс. Вентиляционная система влияет на
профиль туннеля, его форму, количество и размеры вентиляционных устройств, а также на все
необходимые строительные работы. Математическое моделирование позволяет оценить эффективность альтернативных проектов, а также
показать работу системы в штатном режиме и
чрезвычайных ситуациях. При этом уровень финансовых затрат и время выполнения значительно ниже по сравнению с проведением физических экспериментов.
Специалисты Zitron используют программный комплекс ANSYS Fluent, поскольку он содержит широкий набор физических моделей,
необходимых для оценки работы вентиляционной системы. Более того, хорошая масштабируемость решателя позволяет существенно сократить время счета при увеличении количества
используемых ядер процессоров. Впервые компания использовала CFD-технологии 10 лет назад для расчета перепада давления в схеме вентиляции. После этого специалисты Zitron начали
проводить расчет всего туннеля длиной до сотни
метров. Результаты расчетов сравнивались с измерениями скорости во многих автомобильных,
железнодорожных туннелях, а также в метро.
Первые CFD-расчеты компании показали хорошее согласование с экспериментальными данными, и теперь, 10 лет спустя, Zitron уже использует ПО для расчета гидродинамики как основной инструмент для оценки проектируемых вен-
ANSYS Advantage. Русская редакция | 17'2012
49
Технологии
50
Âèçóàëèçàöèÿ êîíöåíòðàöèè äûìà ñ èñïîëüçîâàíèåì òðåõìåðíîé âèçóàëèçàöèè. Òóííåëü ìåòðî â Mà́laga,
Þæíàÿ Èñïàíèÿ
тиляционных систем. Поскольку полученные результаты хорошо согласовались с экспериментом, компания Zitron стала лидером в области
проведения инженерных расчетов для систем
вентиляции в туннелях.
Для оценки эффективности струйной осевой вентиляции инженеры Zitron проводят расчет
пожаров в туннелях. Инженеры выбирают скорость распространения пожара и место возгорания исходя из наихудшего сценария пожара.
Струйные осевые вентиляторы, расположенные
группами вдоль туннеля, приводятся в действие с
задержкой 60 секунд после воспламенения. Моделирование должно определить способность
вентиляторов отвести дым к одному из выходов.
От дыма необходимо избавиться в четко поставленные сроки, обычно за 600 секунд. Кроме того,
важными результатами расчета являются распределение скоростей и поля температур в туннеле.
Геометрия туннеля обычно достаточно
стандартна, с постоянной площадью поперечного сечения. Важнейшими расчетными параметрами являются расположение и мощность вентиляторов, а также место и площадь возможного
возгорания. Поскольку CAD-препроцессор компании Zitron встроен в среду ANSYS Workbench,
любое изменение в проекте автоматически переносится в расчетную модель. Использование
среды ANSYS Workbench облегчает проведение
параметрических расчетов при изменении таких
расчетных параметров, как количество вентиляторов, расстояние между вентиляторами и местом возгорания.
В связи с большой протяженностью объекта, в расчете особенно важную роль играет построение сетки. В таких областях, как место воз-
www.ansyssolutions.ru
горания, а также вблизи вентиляционной струи
сетка должна быть достаточно мелкой для увеличения точности расчета. В остальных областях ячейки могут быть крупнее, что позволяет
сократить общее число ячеек. Специалисты
Zitron провели несколько расчетов чувствительности для оценки влияния размера и типа ячеек.
Специалисты пришли к выводу, что должна использоваться структурированная сетка, при
этом грани ячеек должны совпадать с направлением потока — во избежание численной диффузии. Как оказалось, размер ячейки 0.25 м вблизи области возгорания обеспечивал адекватные
градиенты скорости и температуры. Допустима
вытянутость ячеек до 5 метров в длину в области между вентиляторами и местом возгорания,
так как в этой области поток направлен вдоль
граней ячеек. Методы создания расчетной сетки
Sweep и MultiZone, доступные в ANSYS Meshing,
позволяют создавать преимущественно структурированную гексаэдральную расчетную сетку с
минимальным участием пользователя, при этом
минимальный и максимальный размер ячеек
может быть задан локально.
Адекватное моделирование вентиляции
туннелей обычно требует порядка одного миллиона ячеек на один километр туннеля. Высокопроизводительные вычисления и современные улучшения в алгоритмах распределенного счета позволили достичь практически линейной масштабируемости гидродинамических расчетов. Непрерывное развитие аппаратной и программной
(Fluent) составляющих способствовали и продолжают способствовать решению все более сложных задач и получению более точных результатов
в области пожарной безопасности туннелей. Бла-
ANSYS Advantage. Русская редакция | 17'2012
51
Âèçóàëèçàöèÿ êîíöåíòðàöèè äûìà â ìåòðî Äóáàé
Ëèíèè òîêà ãîðÿ÷èõ ãàçîâ
годаря эффективному использованию высокопроизводительных кластеров и более совершенным вычислительным алгоритмам инженерырасчетчики могут сократить время решения более сложных задач для более длинных туннелей.
Инженеры компании Zitron задавали граничные условия для ограничения области решения, задания скорости в области вентилятора и
описания характеристик пожара. Они использовали граничное условие адиабатной стенки на
стенах туннеля, а также задавали граничное условие давления на выходах туннеля. Скорость в
области вентилятора может быть задана несколькими способами: 1) комбинация граничных
условий Inlet с положительными и отрицательными скоростями; 2) объем с фиксированной
скоростью; 3) посредством источниковых членов; 4) граничное условие вентилятор (Fan), доступное в ANSYS Fluent. Любой из указанных
способов задания скорости в области вентилятора дает одинаковый результат, однако задание фиксированной скорости или источниковых
членов является предпочтительным, так как они
описывают тепло- и массообмен.
Одними из важнейших граничных условий
являются мощность пожара и источник дыма.
Инженеры компании Zitron испробовали несколько подходов — от простейшего задания
источников массы и тепла до более сложных,
включающих химические реакции. Результаты,
полученные разными способами, показали
очень хорошее согласование, при условии, что
мощность пожара составляет 1 МВт на кубический метр. Для простоты расчетов задавались
источник тепла и источник продуктов горения.
Не менее важным является описание турбулентных явлений. Инженеры компании Zitron
испробовали несколько моделей турбулентности RANS. Как оказалось, модель турбулентности
k-ε Realizable наиболее точно описывает структуру течения и теплообмен в задачах вентиляции туннелей.
Распространение дыма моделируется в
нестационарной постановке. Стандартный подход для решения нестационарных задач является итеративным. Это означает, что на данном
шаге времени производится итерационный
расчет системы уравнений до обеспечения
критерия сходимости. Такой подход является
достаточно ресурсоемким по сравнению с неитеративным методом, доступным во Fluent начиная с версии 6.2, что позволяет производить
расчет нестационарных задач от 2 до 5 раз
быстрее.
Хотя мощность пожара возможно настроить для искусственной компенсации влияния лучистого теплообмена, достоверный расчет температуры стенок вблизи пламени все равно требует использования модели лучистого теплообмена. Лучистый теплообмен при наличии локальных источников тепла достаточно трудно
описать, так как поверхность ограждающих
конструкций и дым участвуют в теплообмене.
Обычно в таких ситуациях используется модель
дискретных ординат (DO), которая позволяет
учитывать оптические свойства среды и достоверно описывает лучистый теплообмен с участием локальных источников. Исторически данная модель была доступна только для итеративного метода, однако в последней версии Fluent
она может использоваться и в рамках неитерационного метода расчета нестационарных задач, что, в свою очередь, позволяет существенно ускорить процесс счета.
Инженеры компании Zitron получают адекватные результаты эффективности вентиляционных систем, благодаря использованию комплекса ANSYS CFD. Следует отметить, что новые
версии программного обеспечения соответствуют растущим потребностям компании. Обширный опыт инженеров Zitron, совместно с использованием CFD технологий, дает компании главное конкурентное преимущество при обеспечении пожарной безопасности туннелей.
www.ansyssolutions.ru
ANSYS Advantage. Русская редакция | 17'2012