Pencik: PARAMETRICKA STUDIE PRUBEHU RYCHLOSTI

Pencik: PARAMETRICKA STUDIE PRUBEHU RYCHLOSTI

20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
SVSFEM s.r.o
PARAMETRICKÁ STUDIE PRŮBĚHU RYCHLOSTI PROUDĚNÍ V PULTOVÉ
DVOUPLÁŠŤOVÉ PROVĚTRÁVANÉ STŘEŠE NA VSTUPNÍ RYCHLOSTI
TOMÁŠ BARTOŠ, JAN PĚNČÍK
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Veveří 331/95, 602 00 Brno
Abstract: Studium proudění a jeho modelování je zaměřeno především na návrh
dvouplášťových provětrávaných střech, které jsou v českých normách doporučovány pro
budovy s vlhkým provozem. Pro modelování je využit program ANSYS [1], který využívá
metodu CFD. Základním problémem návrhu provětrávaných dvouplášťových střech je
navržení optimální tloušťky vzduchové mezery. Z prvních modelů bylo zjištěno, že
minimální výška přiváděcího otvoru je 0,3 m, při menší výšce proud vzduchu nepronikne
do vzduchové mezery, ale odrazí se od atiky a stočí se nad střechu. Ze studie vyplývá, že
rychlost proudění v bodě uprostřed vzduchové mezery je v drtivé většině menší, než v
přiváděcích a odváděcích otvorech. V tomto bodě také rychlost poměrně kolísá, oproti
bodům v otvorech, v nichž je závislost rychlosti proudění na rychlosti větru poměrně
stabilnější, viz Graf.1. Maximum rychlosti ve vzduchové mezeře nastává pro rychlost 14
m.s-1, a to 12.75 m.s-1.
Keywords: dvouplášťové střechy, metoda CFD, rychlost proudění, větraná mezera
1
Úvod
Studium proudění a jeho modelování je zaměřeno na návrh dvouplášťových
provětrávaných střech, které jsou v normách doporučovány pro budovy s vlhkým
provozem. Pro modelování je využit program ANSYS [1], který pro analýzu využívá
metodu CFD.
Základním problémem návrhu provětrávaných dvouplášťových střech je navržení
optimální tloušťky vzduchové mezery. Například v české normě ČSN 73 1901:1999
„Navrhování střech - Základní ustanovení" je uvedeno, že minimální tloušťka větrané
vzduchové vrstvy, určené pro odvod vodní páry difundující do střešní konstrukce, je při
sklonu střešního pláště do 5° (8.75%) minimálně 100 mm pro střechu s délkou do 10 m.
Pro odvod vody technologické a zabudované do konstrukce je minimální tloušťka vrstvy
250 mm pro střechu do 10 m délky. Tyto předpoklady zahrnují vliv tepelně technických
vlastností dolního pláště, atiky a horního pláště střechy. Tudíž větrání probíhá i za
bezvětří díky komínovému efektu. Plocha přiváděcích otvorů by měla odpovídat
minimálně 1/400 plochy střechy, odváděcí otvory pak o 10% větší.
2
Výpočtový model
Pro studii závislosti rychlosti proudění vzduchu ve vzduchové mezeře
dvouplášťové střechy byla zvolena pultová střecha; zkoumané body byly umístěny do
přiváděcího otvoru (bod A), do středu vzduchové mezery (bod B) a do odváděcího otvoru
(bod C, viz. Obr.2.). Směr proudění vzduchu probíhá v kladném směru souřadnicové
osy x, a nabývá hodnot 1 m.s-1 až 20 m.s-1, tj. 3.6 km.h-1 až 72 km.h-1. Výsledný model
pevné překážky (tedy zkoumaného objektu) má celkovou výšku 11.3 m a délku 16 m.
Okrajové podmínky byly zvoleny tak, že na vstupní straně (inlet) má vítr počáteční
rychlost 0 až 20 m.s-1, na horní straně výpočtového modelu je nulová rychlost ve směru
souřadnicové osy y, na výstupní straně (outlet) je nulový tlak, a na spodní hraně a všech
obvodových liniích překážky jsou rychlosti Vx a Vy nulové.
http://aum.svsfem.cz
1
20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
SVSFEM s.r.o
K popisu proudění je použit standardní k-ε model turbulence, při výpočtu byly
uvažovány materiálové charakteristiky vzduchu: hustota ρ=1,205 kg.m-3, kinematická
vazkost v=15.0∙106 m2.s-1.
50m
p = 0 Pa
Vx = 0 až 20 m.s
-1
Vy= 0 m.s-1
Vx = 0 m.s-1, Vy = 0 m.s-1
60m
14m
60m
Obrázek 1 - Výpočtový model a okrajové podmínky
Obrázek 2 - Umístění bodů, ve kterých je zjišťována rychlost proudění vzduchu
3
Postup výpočtu
První studie, zjištění minimální tloušťky vzduchové mezery, byla nejprve
provedena pro výšku přiváděcího otvoru 200 mm, posléze pro 300 mm. Pro tuto studii
byly zvoleny rychlosti vzduchu 5, 10, 15, 20 m.s-1.
http://aum.svsfem.cz
2
20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
SVSFEM s.r.o
Druhá parametrická studie - analýza metodou CFD byla provedena pro rychlosti 1
až 20 m.s-1, vždy s krokem 1 m.s-1. Analýzy byly provedeny pro objekt s výškou větrané
mezery 300 mm. Z každé jednotlivé analýzy byly určeny a zaznamenány tři hodnoty
rychlostí (viz. Tab.1.).
4
Výsledky
Po provedení simulací průběhu proudění byly zjištěny tři hodnoty rychlostí ve
sledovaných
bodech
(pevně
stanovených
uzlech)
pro
každou
vstupní
rychlost 1 až 20 m.s-1. V tabulce jsou barevně zvýrazněny maximální a minimální hodnoty.
Na obrázcích 4 až 9 je porovnán průběh rychlostí Vsum pro rychlosti Vx= 5 a 17 m.s-1. Tyto
rychlosti byly vybrány z důvodu názornosti polohy maxima Vsum.
Obrázek 4 - Průběh rychlosti Vsum pro vstupní rychlost Vx= 5 m.s-1
Obrázek 5 – Průběh proudění v místě přiváděcího a odváděcího otvoru
-1
(pro vstupní rychlost Vx= 5 m.s )
http://aum.svsfem.cz
3
20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
SVSFEM s.r.o
Obrázek 6 – Průběh rychlosti Vsum pro vstupní rychlost Vx= 17 m.s-1
Obrázek 7 - Průběh proudění v místě přiváděcího a odváděcího otvoru
-1
(pro vstupní rychlost Vx= 17 m.s )
Obrázky 4 a 6 dokumentují vliv vstupní rychlosti na rozložení pole rychlostí
vzduchu Vsum. Z obrázku 4 vyplývá, že oblast s maximální rychlostí se pohybuje nad
okrajem horního pláště na straně přiváděcího otvoru, při vyšších rychlostech se maximum
pohybuje směrem k odváděcímu otvoru (Obrázek 6).
5
Zhodnocení
Z prvních modelů bylo zjištěno, že minimální výška přiváděcího otvoru je 0,3 m, při
menší výšce proud vzduchu způsobený větrem nepronikne do vzduchové mezery, ale
odrazí se od atiky a stočí se nad střechu.
Ze studie vyplývá, že rychlost proudění v bodě uprostřed vzduchové mezery je v
drtivé většině menší, než v přiváděcích a odváděcích otvorech. V tomto bodě také
http://aum.svsfem.cz
4
20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
SVSFEM s.r.o
rychlost poměrně kolísá, oproti bodům v otvorech, v nichž je závislost rychlosti proudění
na rychlosti větru poměrně stabilnější, viz Graf 1. Maximum rychlosti ve vzduchové
mezeře nastává pro rychlost 14 m.s-1, a to 12,75 m.s-1.
-1
-1
Obrázek 8 - Porovnání proudnic uvnitř vzduchové mezery při 5 m.s a 17 m.s
Z analýzy vyplynuly tři kombinace popsané v Tabulka 1 jako I, II, III. Nejčastěji se
vyskytující je kombinace I, konkrétně v 15-ti případech. V této kombinaci nabývá rychlost
maximálních hodnot v odváděcím otvoru. Minimální hodnoty rychlosti jsou pak v bodě
uprostřed dutiny. Ve třech případech (II) má rychlost maximální hodnoty v přiváděcím
otvoru a minimální v mezeře. Pouze ve dvou případech (III) je rychlost vzduchu v mezeře
větší, než v přiváděcím otvoru.
Tabulka 1 Výsledky
rychlost Vx [m.s-1]
rychlost Vsum
přiváděcí otvor
bod v mezeře
odváděcí otvor
1
0,75317
0,26272
1,04514
I
2
1,80195
0,26699
1,60415
II
3
4,60814
0,62467
5,27084
I
4
5,57763
0,67770
6,15392
I
5
6,66012
0,90447
7,28555
I
6
7,31886
1,71301
8,31176
I
7
8,65146
2,73901
9,29120
I
8
8,88524
4,08399
10,24299
I
9
7,81994
1,19985
7,00714
II
10
7,08890
2,54019
8,55631
I
11
8,08725
7,97315
10,25253
I
12
8,50415
3,04990
10,26602
I
13
9,47239
7,65167
12,52798
I
14
12,32121
12,75146
15,31004
III
15
11,50827
12,72782
15,90311
III
16
13,97538
10,14023
19,47644
I
17
13,22359
10,66820
17,94950
I
18
15,17159
11,07827
20,42625
I
19
14,83043
8,67031
20,85277
I
20
20,54643
6,40068
18,11052
II
http://aum.svsfem.cz
5
20th SVSFEM ANSYS Users' Group Meeting and Conference 2012
SVSFEM s.r.o
Graf 1 Výsledky
Literatura
[1] ANSYS, Inc. 14.
[2] ČSN EN 1991-1-4:2007 Zatížení konstrukcí - Část 1-4 - Obecná zatížení - Zatížení
větrem. Praha: ÚNM
[3] ČSN 73 1901:1999 „Navrhování střech - Základní ustanovení"
Poděkování
Příspěvek vznikl s pomocí projektu specifického výzkumu řešeného na na FAST VUT v
Brně. Registrační číslo projektu je FAST-S-12-20/1650.
Kontaktní adresa:
Ing. Tomáš Bartoš
Vysoké učení technické, Fakulta stavební, Veveří 331/95, 602 00 Brno
Ing. Jan Pěnčík, PhD.
Vysoké učení technické, Fakulta stavební, Veveří 331/95, 602 00 Brno
http://aum.svsfem.cz
6