Окно Results Summary (Сводный отчет по результатам) показано на рис. 2.300. Общее число ячеек около 800 тыс. При этом время счета составило 134 часа. Однако время или число итераций само по себе не есть показатель "плохих" или " хороших" результатов — оценки могут быть расставлены только в совокупности с анализом результатов процесса, в частности кривых сходимости. Соответствующая информация будет приведена далее.
Рис. 2.300. Сводный отчет по результатам
Сетка в поперечном сечении показана на рис. 2.301, а ее увеличенные фрагменты в зоне угла и в зоне кондиционера— на рис. 2.302, 2.303. 
Рис. 2.301. Сетка в поперечном сечении
Рис. 2.302. Фрагмент сетки в поперечном сечении в зоне угла
Видно, что поперек канала расположено около десяти (полных или частичных) ячеек, а каждую из пяти "полосок" через которые в помещение поступает воздух, описывает две ячейки. Как показали пробные расчеты, если по сечению приходится, допустим, порядка пяти ячеек, а на "полоску", соответственно, одна, то сходимость становится неудовлетворительной — на графиках целей наблюдаются пульсации большого размаха.
Рис. 2.303. Фрагмент сетки в поперечном сечении в зоне кондиционера
В число "отчетных" параметров вошла характеристика ADPI (Air Diffusion Performance index)— коэффициент воздушной диффузии. Физический смысл этого понятия будет разъяснен далее в совокупности с другими характеристиками, относящимися k HVAC.
Также из иллюстраций с сеткой и рис. 2.304, где сетка показана в продольном сечении, можно убедиться, что по толщине стены (в данном случае аппроксимированной одним телом) располагается не менее четырех ячеек. Сопоставляя этот факт с оценкой плотности сетки в текучей среде, можно заключить, что аппроксимация стен вполне достаточна для описания имеющих место тепловых эффектов.
Рис. 2.304. Сетка в продольном сечении в телах
Из окна со сводным отчетом следует, что в сетке присутствуют Trimmed Cells (Обрезанные ячейки). Они появляются в ситуации, когда генератор сетки не в состоянии описать сеткой выступы модели, целиком проникающие в ячейки базовой сетки и ограниченные единственной ячейкой. Это может произойти из-за сложности геометрии при малой величине настройки Small solid feature refinement level (Уровень разрешения сеткой мелких особенностей модели). В подобной ситуации алгоритм отсекает подобные выступы, заполняя полученное пространство текучей средой.
Отобразить ячейки можно посредством команды Mesh 3D View (Трехмерный вид сетки), настройки окна которой (для отображения обрезанных ячеек) показаны на не. 2.305.
Рис. 2.305. Подготовка к визуализации обрезанных ячеек
Результат операции приведен на рис. 2.306. Дефекты локализуются в конкретных зонах на модели человека. Применительно к данной задаче наиболее эффективным, вероятно, было бы не уплотнять сетку, а попытаться модифицировать геометрию в проблемных зонах. Это оправдано тем, что модель человека в значительной степени условная, и установить сам факт таких изменений достаточно затруднительно.
Рис. 2.306. Обрезанные ячейки
Кстати говоря, посредством команды Mesh 3D View можно отобразить и менее приятную сущность Irregular Cells (Иррегулярные ячейки), когда система не может разделить ячейку или изменить геометрию так, чтобы однозначно интерпретировать объем (объемы) как тело или среду. Такие ячейки базовой сетки исключаются из анализа.
Кривые сходимости целей (средней по помещению температуры воздуха и средних температур по объемам, окружающим людей) показаны на рис. 2.307 а значения характеристик— на рис. 2.308. Потребовалось более 10-12 продув» (travels), чтобы достичь сходимости.
Рис. 2.307. Кривые сходимости целей — средней по объему температуры воздуха и средних температур
Рис. 2.308. Состояние целей — температур в момент остановки расчета
Интересно, что "уверенная" сходимость по скоростям наступила (рис. 2.309) примерно после третьей продувки. Данный факт лишний раз аргументирует, что для подобных задач следует использовать именно "ручные" (субъективные) критерии сходимости.
Рис. 2.309. Кривые сходимости целей — средней по объему скорости и средних скоростей
Средняя скорость в окрестности человека, сидящего возле кондиционера, составляет 0,34 м/с, а средняя температура воздуха — около 16 °С. Средняя же температура воздуха (22 °С) близка к комфортной. Средняя по объему скорость воздуха составляет около 0,06 м/с, что, как правило, меньше средних скоростей в окрестности персонала.
Диаграмма скорости и линии тока для сечения, проходящего через кондиционер и тело человека, сидящего под ним, показаны на рис. 2.310, 2.311. Для повышения "контрастности" верхняя граница шкалы была опущена до 1 м/с.
Рис. 2.310. Диаграмма скорости в сечении, проходящем через кондиционер
Рис. 2.311. Фрагмент диаграммы скорости в сечении, проходящем через кондиционер, с линиями тока
Очевидно, что под кондиционером существует исключительно некомфортная зона, как из-за большой скорости, так и из-за низкой температуры.
Если обратить внимание также на сечение диаграммы температуры, можно увидеть, что между спинками стульев, а также между телом человека и столом создались своего рода каналы, через которые проходит интенсивное течение.
Рис. 2.312. Диаграмма температуры в сечении,
проходящем через кондиционер
Границы шкалы на диаграмме температуры (рис. 2.312) были адаптированы так, чтобы получить наиболее информативную картину. Следует отметить, что температура внутри тела человека превышает 40 °С, что обусловлено как не учетом движения жидкостей в теле, так и отсутствием отдачи тепла через пот и дыхание.
Если рассмотреть поле температур (в частности сечение, проходящее через системный блок у левой стены) более тщательно, то можно увидеть, что градиент температуры в стене отслеживается достаточно подробно. На рис. 2.313 видно, как действует теплая струя воздуха, "выходящая" из системного блока. Она нагревает боковую стену (которая, кстати, подвергается и действию нагретого внешнего воздуха), столешницу, образуя под столом своеобразную теплую нишу. Полезно было бы отодвинуть стол от стены, чтобы уменьшить нежелательную тепловую нагрузку на пространство под столом. Также, несмотря на незначительную мощность, приходящуюся на днище системного блока, он прогревает и участок пола под ним.
Рис. 2.313. Диаграмма температуры в сечении, проходящем через компьютер у левой стенки
Обращает внимание значительный температурный градиент воздуха в вертикальном направлении. Чтобы получить соответствующий график, строим эскиз (плоский илипространственный), содержащий линию, которая станет "абсциссой". Затем, используя процедуру XY Plot (График), получаем на базе этого эскиза результат в виде кривой зависимости характеристики (в данном случае температуры) от параметрического расстояния вдоль линии эскиза (рис. 2.314).
Рис. 2.314. Построение графика зависимости температуры от расстояния вдоль линии на эскизе, проходящем от низа плиты пола до верха плиты потолка
Результат показан на рис. 2.315. Следует учесть, что график начинается от точки снаружи плиты потолка, а заканчивается в точке под плитой пола. Разница температуры воздуха между полом и потолком составляет около 7 °С. Для небольшого помещения это достаточно большая величина. Она является вполне достоверной, поскольку помещение моделируется достаточно подробно, включая принудительное движение воздуха под действием вентиляторов компьютеров.
Рис. 2.315. Изменение температуры по высоте модели
Модуль HVAC Flow Simulation обладает функциональностью, позволяющей прогнозировать параметры теплового самоощущения, степень дискомфорта людей, подвергнутых действию окружающей среды, и оценить качество воздуха посредством соответствующих критериев. Эти инструменты используются при проектировании обитаемых кондиционируемых помещений и работоспособны, только если текучей средой является воздух.
Flow Simulation рассчитывает следующие параметры:
1. Predicted Mean Vote (PMV) — среднюю прогнозируемую оценку;
2. Predicted Percent Dissatisfied (PPD) — допустимый процент неудовлетворенных (качеством воздуха);
3. Operative Temperature — рабочая температура;
4. Mean Radiant Temperature (MRT) — среднерадиационную температуру;
5. Effective Draft Temperature — действующую температуру сквозняка;
6. Air Diffusion Performance Index (ADPI) — коэффициент воздушной диффузии;
7. Contaminant Removal Effectiveness (CRE) — эффективность удаления загрязнений;
8. Local Air Quality Index (LAQI) — местное качество воздуха;
9. Flow Angle — угол прохождения потока;
10. LACI (Local Air Change Index) — коэффициент локального воздухообмена.
11. Metabolic rate (M) — интенсивность превращения энергии химических реакций в теплоту и механическую энергию посредством метаболизма в человеческом теле;
12. External work (W) — фактическая механическая мощность, производимая индивидуумом;
13. Clothing thermal resistance (Icl) — тепловое сопротивление, создаваемое одеждой;
14. Relative humidity — относительная влажность.
Большинство из этих параметров рассчитывается с учетом некоторых характеристик системы, которые определяются в окне Default Reference Parameters (Характерные параметры по умолчанию) (рис. 2.316):
Рис. 2.316. Характерные параметры по умолчанию
Чтобы ощутить разницу между различными представлениями температуры в Flow Simulation, рассмотрим три иллюстрации — сечения соответствующих функций вертикальной продольной плоскостью. На рис. 2.317 показано поле "просто" температуры; на 2.318 — среднерадиационной (в отечественной терминологии − радиационно-эквивалентно-эффективной) температуры (Mean Radiant Temperature) на 2.319 — рабочей (Operative Temperature) температуры.
Рис. 2.317. Температура в продольном вертикальном сечении
Рис. 2.318. Среднерадиационная температура
Рис. 2.319. Рабочая температура
Человеческое самоощущение определяется тепловым балансом в его теле. Эта баланс определяется физической активностью, одеждой, а также параметрами окружающей среды: температурой воздуха Та, среднерадиационной температурой Tr, относительной скоростью воздуха v и влажностью воздуха. Если эти параметры стали известны в результате расчета, то тепловое самоощущение человека может быть описано (спрогнозировано) посредством понятия Predicted Mean Vote (Средняя прогнозируемая оценка). Это целое число, которое предсказывает, как распределятся голоса значительной группы людей (табл. 2.1). Тепловой баланс достигается, если внутренняя тепловая энергия в теле равна выделению тепла в окружающую среду.
Таблица 2.1.
Шкала оценок PMV
| Холодно | Прохладно | Слегка прохладно | Нейтрально | Слегка тепло | Тепло | Жарко |
| -3 | -2 | -1 | +1 | +2 | +3 |
В умеренной климатической среде система терморегуляции организма естественным образом изменяет температуру кожи и потовыделение, чтобы соблюсти тепловой баланс.
Функция Predicted Mean Vote (PMV) (Средняя прогнозируемая оценка) показана на рис. 2.320. Как видно, минимальное значение находится за границами тарируемой шкалы, то есть состояние "хуже", чем "очень холодно". Также из диаграммы следует, что "теплой" является зона возле головы. Здесь следует иметь в виду, что мы имеем дело с взаимовлияющими сущностями: человека меняет состояние воздуха возле себя, поэтому спланировать (достоверно) комфортную зону в малых помещениях можно только с учетом наличия людей в контексте этого помещения.
Рис. 2.320. Распределение средней прогнозируемой оценки
Прогнозируемый процент неудовлетворенных характеризует долю людей, испытывающих дискомфорт в данной окружающей среде. Данная характеристика имеет вероятностный характер (может принимать значения от 5 до 99,9 %) и рассчитывается по формуле:
.
График зависимости процента неудовлетворенных от средней прогнозируемой оценки показан на рис. 2.321. Как видно, мы имеем дело с симметричным статистическим распределением, имеющим минимум (5% неудовлетворенных) при нейтральной оценке.
Рис. 2.321. График зависимости процента неудовлетворенных
от средней прогнозируемой оценки
На рис. 2.322 показано распределение допустимого процента неудовлетворения климатическими параметрами среды Predicted Percent Dissatisfied (PPD) на гранях характерных объектов модели. Наибольший интерес представляет состояние граней вспомогательных тел, охватывающих людей. Как видно, дискомфортной является область под кондиционером. Другие рабочие места создают проблемы для ступней ног, поскольку они находятся в интенсивном воздушном потоке с низкой температурой. Также не рекомендуется держать лицо близко к монитору и находиться возле передних углов холодильника, здесь источником дискомфорта является тепловое излучение.
Рис. 2.322. Прогнозируемый процент неудовлетворенных
Действующая температура сквозняка EDT (Effective Draft Temperature) является мерой различия температуры между местным и средним ее значениями с учетом движения воздуха при условии, что влажность и излучение постоянны в рассматриваемом объеме. Исследования показывают, что большинство людей всидячем положении ощущает себя комфортно, если EDT находится в интервале от -1,7 °С до 1 °С. На рис. 2.323 показано распределение температуры сквозняка во вспомогательных объемах. Как видно, локальные значения этой функции (именно они отображены на условных границах) существенно отличаются от комфортных. В частности существенно превышена температура сквозняка под столами.
Рис. 2.323. Температура сквозняка
Коэффициент воздушной диффузии ADPI (Air Diffusion Performance Index) есть доля пространства, в которой скорость течения воздуха меньше, чем 0,35 м/с, и температура сквозняка находится в интервале от -1,7 °С до 1,1 °С. Следует учитывать, что понятие "пространство" здесь соответствует назначенному объему в окне Volume Parameters (Параметры в объеме), как показано на рис. 2.324 для состояния одного из условных объемов. В противном случае расчет ведется относительно всего объема текучей среды (в полости, находящейся в расчетном домене).
Рис. 2.324. Интегральные характеристики, в том числе и ADPI, в одном из условных объемов
На рис. 2.325 показано распределение характеристики LACI (Local Air Change Index) (Показатель локального воздухообмена) на фоне пространственных линий тока. LACI характеризует отношение некоторого объема к объемному расходу воздуха, проходящему через этот объем. Здесь под движением воздуха понимается как собственно его перемещение "вместе" с потоком, так и составляющая, обусловленная диффузией.
Рис. 2.325. Показатель локального воздухообмена на фоне линий тока, выходящих из кондиционера
Содержательную информацию несут и собственно линии тока. Как видно, холодный воздух из кондиционера, достигнув пола, разделяется на два потока. Один направляется к передней стене, попутно ветвясь на составляющие, которые нагреваются при взаимодействии с людьми и компьютерами у правой стенки и поднимаются к рециркуляционному входу в кондиционер. Часть этого потока достигает передней (нагретой) стенки, после чего, также нагревшись, поднимается и направляется к кондиционеру. Второй интенсивный поток от кондиционера следует к задней стенке в сторону двери, после чего, постепенно нагреваясь, организует вихревую структуру.
Примечание
Flow Angle (Угол прохождения потока) — это опция, позволяющая оценить характеристики ламинарного (однонаправленного) течения в виде углов относительно осей (назначаемой пользователем системы координат).
Интересно сравнить обсуждаемые результаты с полученными для ситуации, когда в помещении не происходит рециркуляция, то есть весь воздух в кондиционер засасывается с улицы. Значения целей (средней температуры по всем объемам, окружающим людей, и по каждому из объемов) приведены на рис. 2.326. Очевидно что из-за того, что на "вход" в кондиционер поступает более теплый воздух, температура повысилась. Причем рост произошел на 2,5-2,7 °С практически синхронно на всех уровнях: как в среднем, так и в наиболее теплом и наиболее холодном pабочем месте. Этот факт облегчает настройку системы кондиционирования и/или планировку помещений с целью достижения максимальной комфортности.
Рис. 2.326. Значения температур в объемах, окружающих людей, для модели без рециркуляции
Выводы
После рассмотрения этой задачи напрашиваются следующие заключения. Модель описывает реальный объект. Очевидно, что для персонала данное помещение рассмотренном режиме эксплуатации является некомфортным, причем это суждение основано на нескольких критериях, оцениваемых программой. Зонами дискомфорта является, по сути, половина рабочих мест. Надо сказать, что рассмотренное расположение блока кондиционера является вполне типовым для офисных помещений. По этой причине зона под модулем выхода и ее окружение в пределах нескольких метров становятся, по сути, непригодными для сколько-нибудь продолжительной деятельности. Поэтому типовой режим работы персонала в таких помещениях состоит в периодическом использовании кондиционера, что порождает проблему существенной неравномерности климата в течение рабочего времени: интенсивные охлаждения чередуются с продолжительной работой с превышением комфортной температуры. Это немногим лучше работы в интенсивном потоке холодного воздуха. Имеющиеся в современных кондиционерах регуляторы направления выходного потока на самом деле малоэффективны: в силу значительно большей плотности существенно охлажденный воздух быстро опускается, а увеличение его скорости на выходе (с целью направить поток вдоль потолка) создает дополнительный фактор дискомфорта, связанный с большой скоростью. Одним из решений могло бы стать размещение в помещении нескольких кондиционеров меньшей мощности, но это существенно удорожает систему.
Более оптимистичным является заключение о достойной функциональности Flow Simulation в совокупности с модулем HVAC применительно к задачам этого и смежных классов. Как видно, можно получить практически любую информацию, базе которой можно оценивать имеющуюся ситуацию и предлагать улучшения. Определенным ограничением является большая вычислительная трудоемкость задачи. Как можно было убедиться, корректная оценка состояния каждого рабочего места предполагает подробные модели разнообразных объектов и явлений: функционирования кондиционера, компьютеров, устройство рабочих мест. Единственным, пожалуй, способом сокращения размерности было бы пренебрежение теплопроводностью некоторых объектов. Их можно заменить изоляторами с заменой тепловыделения в соответствующих объемах на тепловыделение с граней (в силу исчезновения этих объемов). Также можно было бы заменить многослойные стенки виртуальными аналогами, как это было сделано для передней и правой стенок.