Управление характеристиками перемешивающей и вытесняющей вентиляции при нестационарных режимах течения

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-19-00437

НазваниеУправление характеристиками перемешивающей и вытесняющей вентиляции при нестационарных режимах течения

Руководитель Иванов Николай Георгиевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого" , г Санкт-Петербург

Конкурс №92 - Конкурс 2024 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-201 - Процессы тепло- и массообмена

Ключевые слова численное моделирование, вихреразрешающие подходы, турбулентность, нестационарность, автоколебания, смешанная конвекция, системы вентиляции, отопления и кондиционирования

Код ГРНТИ67.53.25, 44.31.03, 30.17.53

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на (1) исследование условий формирования глобальных, с характерными размерами порядка масштаба течения, нестационарных явлений в вентиляционных потоках, (2) анализ влияния эффектов глобальной нестационарности на характеристики вентиляции и (3) выявление возможных механизмов управления характеристиками перемешивающей и вытесняющей вентиляции при нестационарных режимах течения. Метод решения поставленных задач – численное моделирование турбулентных течений на основе трехмерных нестационарных уравнений движения и теплопереноса со стационарными и нестационарными граничными условиями. Для моделирования турбулентности будут применяться обладающий высокой точностью метод моделирования крупных вихрей (метод LES), а также предназначенный для использования в инженерной практике метод решения нестационарных осредненных по Рейнольдсу уравнений Навье-Стокса (подход URANS). Акцент проекта на сочетание глобальной нестационарности, вызванной гидродинамической неустойчивостью, с осложняющими факторами влияния эффектов плавучести и нестационарных граничных условий потребует отработки ряда принципиально новых методических аспектов вихреразрешающего численного моделирования и применения URANS-подхода. Валидация получаемых в ходе проекта расчетных данных будет осуществляться с привлечением доступных в профильной литературе данных эталонных экспериментов. В соответствии с литературными данными будут выбраны соответствующие тестовые конфигурации и проведены серии валидационных расчетов, направленных на отработку трех составляющих методики исследований (вихреразрешающее моделирование макро-колебаний при преобладании вынужденной конвекции, постановка задач с нестационарными граничными условиями, численное моделирование глобальной нестационарности при определяющем влиянии эффектов плавучести). С использованием отработанных расчетных методик будут получены и проанализированы новые расчетные данные, направленные на решение проблем, возникающие при разработке и эксплуатации вентиляционных систем, характеризующихся сложным нестационарным поведением воздушного потока. Заявленная в проекте программа исследований позволит получить новую практически значимую информацию фундаментального характера о возможности управления нестационарными процессами и, как следствие, вентиляционными характеристиками для систем перемешивающей и вытесняющей вентиляции. Cудя по анализу современных литературных источников комплексное решение всех поставленных задач на основе сочетание предлагаемых подходов является принципиально новым и не имеет аналогов в мире. Контролируемая реализация нестационарных режимов вентиляционного течения может существенно улучшить энергоэффективность систем вентиляции. Научные результаты проекта будут востребованы профильными предприятиями Российской Федерации при разработке новых систем вентиляции, отопления и кондиционирования для жилых и общественных зданий.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе первого года работы над проектом отработана методика 2D URANS, 3D URANS и вихреразрешающего LES моделирования струйных течений вентиляционного типа, в которых развиваются низкочастотные автоколебания, при постоянном расходе приточного воздуха и при его периодическом плавном изменении. Параметрические расчеты выполнены для четырех различных задач, в которых рассматривались вентилируемые помещения (полости) разного уровня геометрической детализации, с различными способами подачи приточного воздуха. Для задачи о распространении турбулентной струи в прямоугольной полости с симметрично расположенными выходными окнами, находящимися позади щелевого отверстия, из которого происходит истечение струи, были получены диапазоны значений размеров открытой границы и высоты полости, при которых реализуются режимы автоколебаний. Показано, что уменьшение длины полости относительно ее высоты сопровождается заметным увеличением числа Струхаля. Выявлено, что для этой задачи при переходе от одиночной к множественным струям автоколебания сохраняют свой характер и характеризуются значениями числа Струхаля того же порядка, при этом существенное увеличение расстояния между щелевыми отверстиями может привести к подавлению автоколебаний. Показано, что для одиночной струи периодическое изменение расхода приточного воздуха может оказывать управляющее воздействие на частоту автоколебаний: при амплитуде наложенных колебаний расхода более 25% от среднего значения их частота определяет поведение воздушного потока в полости. Рассмотрена задача о взаимодействии двух встречных припотолочных струй при подаче постоянного и периодически плавно изменяющегося расхода приточного воздуха. Показано, что при встречном распространении двух припотолочных струй, подаваемых из щелевых отверстий, базовое течение с постоянным расходом приточного воздуха характеризуется интенсивными низкочастотными автоколебаниями, имеющими принципиально трехмерный характер. Нестационарная подача приточного воздуха при этом рассматривается как способ управления воздушным потоком. Статистически установившиеся крупномасштабные колебания воздушного потока проявляются и в приближенной к геометрии реального помещения модели вентилируемого атриума с многоструйной системой вентиляции. На основе сопоставления с данными вихреразрешающего LES моделирования показано, что для данной конфигурации URANS расчеты позволяют достаточно достоверно предсказать период автоколебаний. Выявлено, что в зависимости от числа приточных струй в помещении могут реализовываться разные режимы течения: несколько струй могут сливаться в одну, могут взаимодействовать попарно, а могут распространяться по отдельности. Частота автоколебаний при этом может принимать существенно разные значения в зависимости от расстояния между приточными отверстиями. По результатам 3D URANS моделирования автоколебания выявлены и в приближенном к реальному вентилируемом помещении малого объема (климатической камере) с размещенной в нем нагреваемой моделью тела человека. Развитие автоколебаний воздушного потока в рассмотренной конфигурации определяется как взаимодействием двух приточных струй, так и поведением теплового факела над нагреваемым тепловым манекеном.

Публикации

1. Засимова М.А., Иванов Н.Г., Рис В.В., Степашева Е.Д. Численное моделирование распространения турбулентной струи при истечении из щелевого отверстия в ограниченное пространство Теплофизика и аэромеханика, Том 32. № 3. С. 507-519. (год публикации - 2025)
10.63430/TIA202503008

2. Иванов Н.Г., Засимова М.А., Подмаркова А.Д., Марков Д. Численное исследование влияния нестационарных эффектов на параметры теплового комфорта в вентилируемых помещениях Материалы XVII Минского международного форума по тепло- и массообмену. Минск.: Институт тепло- и массообмена имени А. В. Лыкова НАН Беларуси, с.941-943 (год публикации - 2024)

3. Подмаркова А.Д., Засимова М.А., Иванов Н.Г. Численное моделирование развития автоколебаний при взаимодействии приточных струй в модели атриума Неделя науки ФизМех: сборник материалов Всероссийской научной конференции, 1-5 апреля 2024 г., с.438-441 (год публикации - 2024)

4. Иванов Н.Г., Засимова М.А., Тельнов Д.С. Численное исследование влияния нестационарности воздушного потока на эффективность вентиляции тестового помещения Тезисы докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых ученых XL Сибирский теплофизический семинар, посвященный 110-летию со дня рождения С.С. Кутателадзе и 300-летию Российской академии наук, 20–23 августа 2024, Новосибирск, Россия, с.303 (год публикации - 2024)

5. Адиатуллин В.Р., Галаев С.А., Засимова М.А., Иванов Н.Г. Численное моделирование распространения встречных турбулентных струй при периодически меняющемся расходе приточного воздуха Теоретические и прикладные задачи конвективного тепломассопереноса. Материалы Международной научной конференции, Томск, Россия, 17-19 декабря 2024 года. (год публикации - 2024)

6. Иванов Н.Г., Засимова Н.Г., Степашева Е.Д., Красикова А.Д. Effect of self-sustained oscillations of a cooling jet on thermal comfort parameters in indoor spaces 9th International Symposium on Advances in Computational Heat Transfer (CHT-24). Book of abstracts. Ed. by: Yogesh Jaluria and Oronzio Manca. 26-30 May 2024, Istanbul, Turkey, с.83 (год публикации - 2024)

7. Ермакова К.К., Засимова М.А., Иванов Н.Г. Исследование вихревых течений, сформированных импульсной турбулентной плавучей струей Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки (год публикации - 2026)

8. Иванов Н.Г., Засимова М.А., Рис В.В. Влияние входных условий на автоколебания турбулентного струйного течения в открытой полости Енисейская теплофизика: Тезисы докладов Всероссийского форума. В рамках форума: XIV Семинар вузов по теплофизике и энергетике. Школа молодых ученых «Физические основы современных нефтегазовых технологий», Красноярск, 14–19 апреля 2025 года. – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2025, с. 435-437 (год публикации - 2025)

9. Корскова Т.С., Засимова М.А., Рис В.В., Иванов Н.Г. Исследование выравнивания температуры в вентилируемом помещении при подаче воздуха через осциллятор Теплофизика и аэромеханика (год публикации - 2026)

10. Адиатуллин В.Р., Галаев С.А., Иванов Н.Г., Рис В.В. Автоколебательные режимы течения встречных пристенных струй в прямоугольной полости Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: сборник материалов XXV Школы-семинара молодых ученых и специалистов академика А.И. Леонтьева (9 – 13 июня 2025 года, г. Рыбинск). – Рыбинск: Издательство РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2025., с. 34–35 (год публикации - 2025)

11. Подмаркова А.Д., Иванов Н.Г., Засимова М.А., Рис В.В. Сопоставление данных URANS и LES моделирования вентиляции модельного помещения в условиях автоколебательного режима течения XXVII Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям: Материалы докладов. Санкт-Петербург, 15-19 сентября 2025 года / Сост.: М.В. Чернышов, Ю.В. Каун, К.Э. Лаптинская. – СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2025., с. 203-204 (год публикации - 2025)

12. Иванов Н.Г., Засимова М.А., Подмаркова А.Д., Рис В.В. Численное исследование условий формирования автоколебаний при распространении в помещении нескольких приточных струй Тезисы докладов Всероссийской конференции с элементами научной школы для молодых ученых. XLI Сибирский теплофизический семинар, посвященный 75-летию академика РАН Алексеенко Сергея Владимировича, 7–10 октября 2025, Новосибирск, Россия. Новосибирск: ИТ СО РАН, 2025., с. 142 (год публикации - 2025)

13. Иванов Н.Г., Адиатуллин В.Р., Галаев С.А., Рис В.В. Динамика крупномасштабных вихрей при взаимодействии встречных припотолочных струй в вентилируемой полости Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: сборник научных трудов Х международной конференции, Архангельск, 20-22 октября 2025 г. [Электронное научное издание] / М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Рос. акад. наук, Сев. (Аркт.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова и др.; сост. Панкратов Е.В. и др. – Архангельск: КИРА, 2025., с. 69-71 (год публикации - 2025)

14. Смирнов Е.М., Засимова М.А., Иванов Н.Г., Рис В.В. Завихренность и смешение в турбулентной струе, генерируемой кольцевой системой жидкостных осцилляторов Тепломассообмен и гидродинамика в закрученных потоках: сборник научных трудов Х международной конференции, Архангельск, 20-22 октября 2025 г. [Электронное научное издание] / М-во науки и высш. образования Рос. Федерации, Рос. акад. наук, Сев. (Аркт.) федер. ун-т им. М.В. Ломоносова и др.; сост. Панкратов Е.В. и др. – Архангельск: КИРА, 2025., с. 140-142 (год публикации - 2025)

15. Подмаркова А.Д., Засимова М.А., Иванов Н.Г. Анализ эффективности вентиляции при многоструйной подаче приточного воздуха Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: сборник материалов XXV Школы-семинара молодых ученых и специалистов академика А.И. Леонтьева (9 – 13 июня 2025 года, г. Рыбинск). – Рыбинск: Издательство РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2025., с. 30–31 (год публикации - 2025)

16. Корскова Т.С., Засимова М.А. Численное исследование течения в вентилируемом пространстве при стационарной подаче приточной струи и нестационарной, организованной за счет использования осциллятора Неделя науки ФизМех: сборник материалов Всероссийской научной конференции, 31 марта – 4 апреля 2025 г. – СПб.: Политех-пресс, 2025., с.448-451 (год публикации - 2025)

17. Адиатуллин В.Р., Галаев С.А., Иванов Н.Г., Рис В.В. Численное моделирование взаимодействия встречных пристенных струй в прямоугольной полости Неделя науки ФизМех: сборник материалов Всероссийской научной конференции, 31 марта – 4 апреля 2025 г. – СПб.: Политех-пресс, 2025., с.391-394 (год публикации - 2025)

18. Иванов Н.Г., Засимова М.А., Подмаркова А.Д., Рис В.В. Численное исследование условий формирования автоколебаний при распространении в помещении нескольких приточных струй Прикладная механика и техническая физика (год публикации - 2026)

19. Адиатуллин В.Р., Галаев С.А., Рис В.В., Засимова М.А., Иванов Н.Г. О неустойчивости встречных пристенных струй в вентилируемой полости Научно-технические ведомости СПбГПУ. Физико-математические науки (год публикации - 2026)

20. Корскова Т.С., Засимова М.А. Численное исследование перемешивания воздуха в вентилируемом пространстве при подаче приточной струи через осциллятор Проблемы газодинамики и тепломассообмена в энергетических установках: сборник материалов XXV Школы-семинара молодых ученых и специалистов академика А.И. Леонтьева (9 – 13 июня 2025 года, г. Рыбинск). – Рыбинск: Издательство РГАТУ имени П.А. Соловьева, 2025., с. 84–85 (год публикации - 2025)

21. Адиатуллин В.Р., Галаев С.А., Иванов Н.Г., Рис В.В. Численное исследование течения в помещении, вентилируемом встречными припотолочными струями XXVII Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям: Материалы докладов. Санкт-Петербург, 15-19 сентября 2025 года / Сост.: М.В. Чернышов, Ю.В. Каун, К.Э. Лаптинская. – СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2025., с. 22-23 (год публикации - 2025)

22. Смирнов Е.М., Засимова М.А., Иванов Н.Г., Рис В.В. Структура турбулентной струи, генерируемой кольцевой системой жидкостных осцилляторов XXVII Всероссийский семинар с международным участием по струйным, отрывным и нестационарным течениям: Материалы докладов. Санкт-Петербург, 15-19 сентября 2025 года / Сост.: М.В. Чернышов, Ю.В. Каун, К.Э. Лаптинская. – СПб.: Балт. гос. техн. ун-т, 2025., с. 233-234 (год публикации - 2025)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе второго года работы над проектом параметрические расчеты выполнены для шести различных постановок, в которых рассматривались вентилируемые помещения (полости) разного уровня геометрической детализации, с различными способами подачи приточного воздуха. Для модельной задачи о распространении струй, подаваемых из двух труб квадратного сечения в узкую полость с открытой торцевой границей, на основе 3D URANS моделирования получены количественные оценки влияния на форму автоколебаний и их основную частоту расстояния между центрами приточных отверстий. Выявлено, что в зависимости от этой величины струи могут колебаться в фазе (сливаясь на некотором расстоянии от входа) или в противофазе. Для модельной задачи о распространении плоской турбулентной струи в прямоугольной полости с симметрично расположенными выходными окнами, находящимися позади щелевого отверстия, из которого происходит истечение струи, на основе 3D URANS моделирования был сделан вывод о слабой зависимости числа Струхаля от числа Рейнольдса: при изменении Re от 10^3 до 1.2x10^4 числа Струхаля находятся в диапазоне 1.0…1.4x10^-3. На основе расчетных данных получена степенная корреляционная зависимость числа Струхаля от относительной высоты отверстия. Показано, что в случае двух струй, выходящих из двух соседних отверстий, расположенных на малом расстоянии друг от друга, наблюдалось их слияние на небольшом удалении от входа и синхронные колебания с той же частотой, что и в случае одиночной струи, выходящей из отверстия удвоенной высоты. Выполнено систематическое прямое численное моделирование течения воздуха в прямоугольном помещении при его встречной припотолочной подаче через два щелевых отверстия для модельных чисел Рейнольдса порядка 10^2. Показано, что такое течение оказывается неустойчивым, как только дальнобойность струй становится достаточной для их непосредственного взаимодействия. Нестационарное течение довольно быстро, уже при Re = 100 приобретает хаотический характер со сплошным спектром частот, при этом значения числа Струхаля для основной частоты автоколебаний составляет примерно 3x10^-3. Крупномасштабные колебания с близким числом Струхаля по данным URANS и LES расчетов присутствуют и при натурном значении числа Рейнольдса Re=5500 на фоне турбулентного хаоса. Показано, что нестационарная подача приточных струй по синусоидальному закону позволяет изменять основную частоту автоколебаний. Для задачи о распространении нескольких струй в вентилируемом помещении, приближенном к реальному (модели атриума), по данным LES моделирования течение характеризуется широким спектром частот, соответствующих периодам колебаний от единиц до примерно тысячи безразмерных времен. Данные URANS моделирования фиксируют только низкие частоты, при этом основной частоте автоколебаний соответствует число Струхаля (определенное по высоте приточного отверстия) порядка 10^-3. Для вентиляционной системы, в которой воздух подается только через два приточных отверстия, частота автоколебаний зависит от расстояния между активными приточными отверстиями и от положения пары отверстий относительно выхода. В ходе 3D URANS моделирования неизотермического течения, сформированного при импульсной подаче в затопленное пространство одиночной плавучей струи, показано, что на начальной фазе движения преобладает роль вынужденной конвекции, а при больших временах вклад естественной конвекции оказывается существенным. Выявлено, что направление подачи плавучей импульсной струи существенно влияет на траекторию распространения вихревого облака и скорость его затухания. Получены степенные зависимости, описывающая падение скорости и температуры в вихревом облаке, а также его траекторию вдоль направления подачи струи. В 2D URANS постановке исследованы нестационарные эффекты, развивающиеся при подаче в вентилируемое помещение приточного воздуха через струйный осциллятор. Показано, что применение осциллятора приводит к формированию в помещении нестационарного режима течения с устойчивыми автоколебаниями, обеспечивающими периодическое изменение направления подачи струи, что существенно интенсифицирует перемешивание по сравнению с базовым вариантом со стационарной подачей воздуха через щелевое отверстие. Развитие автоколебаний обеспечивает практически равномерное распределение температуры в помещении, при этом охлаждение воздуха в помещении происходит существенно быстрее, чем в случае стационарного истечения струи.

Публикации