Исследование подавления и локализации конвективных потоков

Метод математического моделирования

При проведении в чистых производственных помещениях технологических процессов на тепловыделяющем оборудовании (в производствах микроэлектроники, формации, точной механики и оптики и т. д.) образуются конвективные потоки от нагретых поверхностей оборудования. Конвективные потоки турбулизируют воздух в помещении и способствуют созданию неорганизованных течений и хаотическому перемещению аэрозольных частиц в объеме помещения, что приводит к увеличению запыленности и затрудняет поддержание требуемых параметров чистоты и микроклимата.

Устранить конвективные потоки и обес-печить требуемые условия чистоты и микроклимата в помещениях можно путем их подавления малотурбулентным ниспадающим потоком воздуха, создающим чистую зону вокруг оборудования при раздаче воздуха через специальные панельные воздухораспределители с фильтрами высокоэффективной очистки (безвихревые воздухораспределители БВВ). Для создания чистых зон БВВ устанавливают над технологическим оборудованием таким образом, чтобы оборудование находилось в области начального участка в его тепловом ядре, в котором сохраняются начальные тепловлажностные параметры и чистота. Скорость воздушного потока и размеры панели БВВ выбираются таким образом, чтобы происходило полное подавление конвективного потока, а область теплового следа находилась в окружении теплового ядра обтекающего потока чистого воздуха. При этом по периметру тепловыделяющего оборудования снизу устраивается вытяжка. Объем вытяжного воздуха должен обеспечивать локализацию конвективного потока и части ядра потока приточного воздуха.

Для исследования предлагаемого способа локализации конвективных потоков использовалось математическое моделирование, которое в дополнение к физическому эксперименту позволяет всесторонне изучить интересующую область исследований при существенном сокращении трудоемкости. В данной работе численное моделирование проводилось с помощью программы STAR-CCM+ и мощного CFD-пакета, разработанного компанией CD-Adapco. Адекватность данного пакета при решении задач вентиляции была многократно проверена на объектах различной сложности — от офисных помещений до театральных залов и стадионов [1, 2].

Задачи исследований: 1) сравнение результатов численного моделирования с экспериментальными данными по подав-лению конвективного потока от нагретого тела направленным сверху вниз потоком воздуха; 2) численное моделирование чистой зоны с нагретым телом при соосном взаимодействии малотурбулентного потока и отсоса воздуха по периметру тела.

Для решения задачи при численном моделировании использовался объект исследования — нагретый до 300° С брусок высотой 50 мм и поперечными размерами 25 x 25 мм. Над ним расположена воздухораспределительная панель 200 x 200 мм. Отношение размеров бруска и панели достаточно большое, чтобы можно было пренебречь их взаимным влиянием.

Температура подаваемого воздуха — 20° С, температура окружающего воздуха поддерживалась на уровне 19° С. Было произведено четыре расчета, отличающихся заданной скоростью потока воздуха: 0,2 м/с, 0,3 м/c, 0,4 м/с, 0,5 м/c. На выходе из воздухораспределителя задано значение интенсивности турбулент-ности 5%. Графическое представление расчета полей температур показано на рис. 1– 4.

В рамках физического эксперимента, для сравнения с результатами численного моделирования, были использованы данные экспериментальных исследований, проведенных Ю. Н. Хомутецким [3] на интерферометре типа ИКЗ-454 с монохроматическим источником света ЛГ-75 по обдуванию нагретого тела параллелепипеда (25 x 25 x 50 мм) потоком, образованным панелью 200 x 200 мм с сотовыми ячейками 5 x 5 мм глубиной 50 мм. В создаваемом потоке скорость изменилась от 0,15 до 1,5 м/c при интенсивности турбулентности 3–5%. Поверхность тела могла нагреваться до 400° С. Полученные интерференционные картины фиксировались на фотографиях (рис. 5).
Кроме того, в лаборатории кондиционирования воздуха ВНИИОТ ВЦСПС г. Ленинграда производились опыты по выявлению границ теплового следа при обдувании тела увеличенных размеров: параллелепипеда с размерами 110 x 200 x 400 мм (сторона 110 x 400 мм располагалась перпендикулярно потоку воздуха, симметрично панели, вдоль ее длинной стороны) [4, 5]. Обдувание тела производилось панелью размером 400 x 800 мм, расположенной над телом на расстоянии 610 мм.
За характеристику формы теплового следа принят угол его расширения , определенный из соотношения:

где: — ширина теплового следа, — расстояние от верха нагретого тела до конца расширения следа.
При определении ширины теплового следа на его наружной границе принята избыточная температура, составляющая 3% от ее значения на поверхности тела:

где — температура (°C) на границе следа, на поверхности тела, подаваемого воздуха, соответственно.
Угол расширения теплового следа может изменяться от 20° до 90° и зависит от соотношения гравитационных сил, определяемых критерием Грасгофа — , и сил инерции вынужденного потока (приточный воздух) — критерий :

где: — скорость набегающего потока на источник тепла (м/c), — коэффициент кинематической вязкости (м2/c) при средней температуре (tm) приточного воздуха и поверхности (°C): — коэффициент объемного расширения воздуха.

За определяющий размер при вычислении значений и принимается длина обтекания тела. Для параллелепипеда Результаты сравнения численного моделирования и физического эксперимента представлены на графике (рис. 6).

Как видно из графика, имеет место совпадение результатов численного и физического экспериментов в выбранном диапазоне изменения отношений , где происходит подавление конвективного потока направленным малотурбулентным потоком. При значениях происходит прорыв конвективного потока.

Для обоснования возможности локализации конвективного потока от тепловыделяющего оборудования с вредными выделениями малотурбулентным потоком воздуха производилось численное моделирование чистой зоны с нагретым телом и отсосом воздуха. Расчет производился для следующих условий: нагретое тело — параллелепипед размером в плане 500 х 200 мм и высотой 1500 мм, установленный на плоскости, температура поверхности тела — 45° С. Над телом на высоте 2 тыс. мм от пола установлена панель БВВ размером 1500 х 750 мм. По периметру тела снизу организована вытяжка через решетку, наружные размеры которой соответствуют размерам панели БВВ. Начальная скорость приточного воздуха составляла 0,5 м/с при t0 = 20° C. Температура окружающего воздуха составляла 19° C. Расход вытяжного воздуха в расчете принят на 20% больше расхода притока. Результаты расчетов полей скорости и температуры представлены на рис. 7.

Как видно из рис. 7, даже при минимальном превышении вытяжки над притоком (20%) существенно уменьшается угол расширения следа при поперечном обтекании источника тепла: при отсутствии вытяжки , а при наличии он уменьшается до . При этом происходит полная локализация конвективного потока (теплового следа) в вытяжное устройство и, следовательно, устранение распространения вредностей в помещении.

Выводы
1. Проведенные исследования по взаимодействию конвективного потока от нагретого тела плохообтекаемой формы с направленным сверху вниз малотурбулентным потоком показали совпадение результатов физического и численного эксперимента в выбранном диапазоне измерений значений критериального отношения . Это позволяет сделать вывод о возможности применения математического моделирования в данной области.
2. Установлена линейная зависимость угла расширения теплового следа α от величины . С увеличением величины Re/√Gr от 0,39 до 0,8 угол уменьшается от 63° до 24°. При известном угле α можно определить поперечные размеры теплового следа и соответствующую ему зону распространения загрязнений. Это позволяет предусмотреть такую расстановку технологического оборудования, которая исклю-чает их взаимное влияние.
3. Доказана возможность полной локализации конвективного потока от тепловыделяющего оборудования с вредными выделениями малотурбулентным потоком воздуха, направленным сверху вниз, при наличии нижнего отсоса воздуха по периметру оборудования.

Литература
1. Бурцев С. И., Денисихина Д. М. «Математическое моделирование процессов турбулентного переноса в профессиональной практике техники вентиляции и кондиционирования воздуха». // «АВОК», № 5, 2006 г.
2. Денисихина Д. М., Худов А. В. «Математическое моделирование турбулентных течений в проекте реконструкции Национального академического Большого театра оперы и балета Республики Беларусь».// «Инженерные системы», № 2, 2007 г.
3. Хомутецкий Ю. Н. Исследование на моделях способа локализации вредностей однонаправленным малотурбулентным потоком воздуха. — Сборник «Оздоровление воздушной среды на предприятиях» (Тематический сборник научных трудов) ВЦНИИОТ и СИОТ ВЦСПС, г. Свердловск, 1974 г.
4. Отчет по НИР «Разработка технических решений средств локальной защиты работающих на технологическом оборудовании с выделением вредных веществ и тепла. (Научный руководитель темы — Знаменский Р. Б.), Гос. регистрация №01840028239, г. Ленинград, 1985 г.
5. Методические рекомендации по обес-печению параметров воздушной среды при производстве изделий микроэлектроники. ВНИИОТ ВЦСПС, Ленинград, 1987 г.