Библиографическое описание:

Соловьев М. А., Полуянович Н. К. Исследование распределения и динамики внутренних процессов функционирования системы кондиционирования воздуха // Молодой ученый. — 2012. — №11. — С. 88-92.

В работе рассматривается применение численных методов моделирования движение воздуха в салоне автомобиля, учитывающая влияние тепла и предложена модель. Разработан алгоритм решения уравнений модели. Проведен аэродинамический расчет параметров микроклимата в салоне автомобиля.

Ключевые слова: численные методы, уравнения Новье – Стокса, моделирование, приточно-вытяжная вентиляция, тепловой баланс.


Введение. Салон автомобиля представляет собой сложную конструктивную систему с многообразием составляющих ее элементов ограждающих конструкций и энергетического оборудования, в которых протекают различные физические процессы поглощения, превращения и переноса теплоты. На это распределение влияют внешние факторы, такие как температура наружного воздуха (), его влажность (), а так же скорость движения воздуха (). Назначением традиционных систем отопления вентиляции в автомобиле является создание комфортных условий для водителя и пассажиров, но эти системы с такой задачей не справляются. Таким образом, разрабатываемая система кондиционирования воздуха (СКВ) предназначена для автоматического поддержания микроклимата, обеспечивая совместную работу систем отопления, вентиляции и кондиционирования за счет электронного блока управления.

Анализ задачи кондиционирования воздуха. В основе применения СКВ в салоне автомобиля лежит последовательное решение следующих задач [2]:

  1. Анализ естественного режима сохранения необходимых параметров микроклимата;

  2. Выявление условий и обоснование необходимости пере­хода к СКВ, синтез структуры СКВ (рис.1), где НВ – наружный воздух; К –кондиционер; АУ – агрегат ути­лизации тепла; СА– салон автомобиля; b(b) – нагнетатель; b(q) теплообменник; РВ – ре­циркуляционный воздух; УВ – удаляемый воздух;


Рис. 1. Структура системы кондиционирования воздуха


  1. Анализ искусственного (активного или прину­дительного) режима поддержания необходимых параметров микроклимата при использовании специальных средств.

Решение задач связано с исследованием функциональ­ных воздействий на обрабатываемый воздух. Математическая модель движения воздуха и алгоритм для ее численного решения, позволяют создавать наилучшую систему воздухообмена.

Используемые уравнения. Для моделирования движения воздуха используем уравнение Навье – Стокса [3]:

где – вектор скоростей; P – давление; t – время; – молярная вязкость; – турбулентная вязкость; – плотность воздуха; – ускорение свободного падения; – коэффициент объемного расширения воздуха.

Введем дополнительное уравнение, описывающее распространение тепла:

где T – температура; – теплопроводность; с – коэффициент температуропроводности.

Рассмотрим эти уравнения для трехмерного пространства:

  • уравнение Навье-Стокса

  • уравнение неразрывности

  • уравнение теплопроводности

  • уравнение теплопроводности для стен салона

Расчет конвективного теп­лообмена может быть выполнен на основе решения уравнений сохранения количества движения (уравнения Навье–Стокса), энергии и массы [3]:

где t – время; – скорость движения воздуха; р – плотность воздуха; – температура воздуха; л. – теплопроводность воздуха; П, д – тензор плотно­сти потока импульса, равный для вязкой сжимаемой жидкости ; здесь – единичный тензор; – плотность воздуха; –«вязкий» тензор; индексы i и к пробегают значения 1, 2, 3, соответствующие компонентам векторов и тензоров, по осям х, у и z.

Аэродинамический расчет параметров микроклимата. Изменение распределения температуры в салоне происходит за счет поглощения элементами автомобиля тепловой энергии солнца и тепловой энергии силового агрегата [4]. На это распределение влияют внешние факторы, такие как температура наружного воздуха (), его влажность (), а так же скорость движения воздуха (). Назначением традиционных систем отопления вентиляции в автомобиле при высокой наружной температуре является создание комфортных условий для водителя и пассажиров, но эти системы с такой задачей не справляются. Обобщающим показателем, количественно характеризующим совместное действие на организм водителя параметров микроклимата, является результирующая температура:

где – температура наружного воздуха, º влажность наружного воздуха, %; – время нагрева, мин; – скорость ветра, м/с.

При движении воздух "сталкивается" с различными элементами системы вентиляции, которые препятствуют движению воздуха. Местные сопротивления, которые характеризуются соответствующим коэффициентом местного сопротивления (потеря давления).

Для проведения аэродинамического расчёта все эти параметры "связываются" формулой:

где: – плотность рабочего тела; – скорость движения рабочего тела; – коэффициент местного сопротивления; – потеря давления.

Таким образом, задача проведения аэродинамического расчёта заключается в определении суммарной величины потери давления на всех элементах.

Задачи оборудования системы вентиляции автомобиля: забрать свежий воздух с улицы; очистить воздух от пыли и пуха; подогреть воздух (в зимний период года); понизить уровень звукового давления; распределить подготовленный воздух по помещениям; равномерно раздать подготовленный свежий воздух по каждому помещению; собрать отработанный воздух по каждому помещению; собрать отработанный воздух со всех помещений; удалить отработанный воздух на улицу.

Аэродинамическое сопротивление приемных и смесительных блоков определяется как:

где, – коэффициент, принимаемый для воздухозаборных секций а для смесительных – плотность воздуха; – площадь фронтального сечения, .

Целью аэродинамического расчета является определение потерь напора (сопротивления) системы воздухораспределения и сопоставление этих потерь со свободным давлением вентилятора, определяемым заданием. Расчет считается выполненным правильно, если обеспечивается условие:

Расчётное давление (потери напора) определяются по формуле:

где, – потери напора на трение отдельных участков; – потери напора на местные сопротивления отдельных участков; 1,1 – коэффициент запаса на непредвиденные сопротивления.

Для выполнения расчета предварительно составляют схему и разбивают ее на отдельные участки рис.2, в пределах которых расход воздуха, размер воздуховодов и скорость движения воздуха постоянны. Расчетная схема составляется для наиболее протяженной ветви сети воздуховодов. Расчет начинают с наиболее удаленного участка.

Потери напора на трение для каждого участка рассчитываются по выражению (12), данные представлены на диаграмме рис.3: где, – коэффициент сопротивления трению для отдельного участка; – длина отдельного участка; – диаметр круглого воздуховода; – плотность воздуха; – скорость движения воздуха на отдельном участке.


Рис. 2. Схема участков распределения воздуха

Определим коэффициенты сопротивления трению (14), результаты расчетов и представлены на диаграмме (рис.3):

где, – определяющий размер воздуховода; – число Рейнольдса для определённого участка воздуховода.

Число Рейнольдса для каждого участка (15), результаты расчетов представлены на диаграмме (рис.3):

Потери напора на местные сопротивления (16) на отдельных участках (рис 3):

Рис. 3. Аэродинамический расчет параметров микроклимата


Заключение:

  • показано применение численных методов для моделирования режимов кондиционирования в салоне автомобиля;

  • рассчитаны зависимости потери напора на трение для каждого участка, протяженной ветви сети воздуховодов;

  • определены коэффициенты сопротивления трения и суммарные потери на трение всего воздуховода и местные сопротивления на отдельных участках.


Литература:

  1. Числительные методы и параллельные вычисления для задач механики, газа и плазмы: Учеб. Пособие/Э.Ф. Балаев, и др.; ИГЭУ – Иваново, 2003.

  2. Золотарев Ю.Н. Логическое и оптимизационное моделирование для синтеза технологии с кондиционированием воздуха. Диссертация доктора технических наук: 05.13.18.–М.: РГБ 2005

  3. Табунщиков Ю.А., Бродач М.М. Математическое моделирование и оптимизация тепловой эффективности зданий.–М.:АВОК-ПРЕСС, 2002.–194с.: ил.

  4. Басыров Р.Р., Фасхиев Х.А Систематизация внешних и внутренних факторов, влияющих на комфортность в салоне автомобиля // Современные тенденции развития автомобилестроения в России: Сборник материалов 3–ей Всероссийской научно-технической конференции (1–я с международным участием).– Тольятти: ТГУ, 2004. – С. 222–25.

  5. Отопление, вентиляция и кондиционирование. СНиП 2.04.05–91*. / Госстрой России.– М.: ГУП ЦПП, 2002.–74с.

Основные термины: кондиционирования воздуха, движения воздуха, скорость движения воздуха, системы кондиционирования воздуха, плотность воздуха, температура наружного воздуха, кондиционирования воздуха автомобиля, параметров микроклимата, систем кондиционирования воздуха, салоне автомобиля, систем регенерации воздуха, расчет параметров микроклимата, местные сопротивления, задачи кондиционирования воздуха, система кондиционирования воздуха, распределителя системы кондиционирования, моделирования движения воздуха, Похожая статья, модель движения воздуха, моделирования движение воздуха

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle