Расчет диффиузии облака дыма в воздухе при наличии бокового ветра

Материал с сайта: http://www.cae-services.ru/

Программный комплекс ANSYS/CFX 10.0, предназначенный для расчета многофазных течений, позволяет моделировать движение, траекторию и диффузию различных примесей - газообразных, жидких или твердых частиц.

Среди научных, прикладных или промышленных задач можно выделить течения с легкими примесями (например, дым в воздухе), частицы которых переносятся вместе с основным течением (конвективный перенос) и одновременно происходит процесс диффузии частиц примесей внутрь основного течения, приводящий к изменению массовой концентрации примеси в пространстве.

Частицы дыма имеют небольшой размер и не влияют на течение воздуха, их движение описывается так называемым транспортным уравнением с учетом кинематической диффузии.

В качестве примера рассмотрена задача моделирования распространения облака дыма, выходящего из дымовой трубы, при наличии небольшого бокового ветра.

В расчет закладывались следующие параметры:

• диаметр дымовой трубы 2 м, высота трубы 5 м

• скорость бокового ветра 1 м/с

• коэффициент диффузии дыма 1*10-5 м2/с

• скорость истечения дыма из трубы 0.2 м/с

• для массовой концентрации дыма на выходе из трубы - экспоненциальный закон по времени: n(t)=1-e(-t/3)

• диаметр расчетной области 20 м, высота - 10 м

На Рис. 1 показана геометрия расчетной области и расчетная сетка из треугольников на поверхности трубы, земли и границе расчетной области. Пространственная сетка имеет 13 тыс. узлов и состоит из 59 тыс. объемных элементов (тетраэдров, призм и пирамид).

Расчеты в пакете ANSYS/CFX 10.0 проводились на персональном компьютере с процессором Pentium IV в операционной среде Windows 2000.

Движение воздуха рассчитывалось путем численного решения уравнений Навье-Стокса c моделью турбулентности k-e.

Рис. 1. Расчетная область и расчетная сетка Рис.                2. Поле скоростей около трубы при боковом ветре

На Рис. 2 представлено стационарное поле скоростей вокруг дымовой трубы. Стационарный расчет (без дыма) используется в качестве начального приближения для нестационарной задачи движения облака дыма в воздухе.

На Рис. 3 представлены результаты решения нестационарной задачи истечения дыма и движения дымового облака в атмосфере при наличии слабого бокового ветра.

Показано изменение по времени массовой концентрации дыма в диаметральной вертикальной плоскости. Результаты представлены для интервалов времени Т=2 с, 8 с, 20 с, 30 с от момента начала выхода дыма из трубы.

T=2 c T=8 c

T=20 c T=30 c

Из расчетов видно, как в момент времени Т=2 с локализованная вблизи выходного отверстия трубы область дыма с концентрацией 0.1 кг/м3 и выше (красная зона) с течением времени увеличивается в размерах и «сносится» боковым ветром вправо к границе видимой расчетной области.

Дымовое облако «сносится» вдоль направления ветра и увеличивается в размерах, что обусловлено конвективным переносом и диффузией частиц дыма в воздухе.