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.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle