Льодові арени Сочі. Досвід математичного моделювання Дарина Денісіхіна, Андрій Колосніцин, Марія Луканіна
До зимових Олімпійських ігор - 2014 в Сочі побудовані нові льодові арени.
Інженери з допомогою методів математичного моделювання виконали аналіз проектних рішень по розподілу повітря таких олімпійських об'єктів, як Палац зимового спорту «Айсберг», Льодовий палац «Великий» і Льодова арена «Шайба». Проведені дослідження показали, що вихідні проектні рішення не забезпечують необхідні параметри повітряного середовища поблизу льодового поля і вимагають відповідного коректування.
Однією з основних проблем при проектуванні систем вентиляції і кондиціонування повітря льодових арен є необхідність підтримки відрізняються значень параметрів внутрішнього повітря поблизу льодової поверхні і на трибунах. Невиконання вимог до параметрів повітря у льодовій поверхні призведе до нерівномірного танення льоду, викривлення його поверхні, що абсолютно неприпустимо для олімпійських об'єктів. Крім того, параметри повітряного середовища безпосередньо впливають на емоційний і фізичний стан глядачів і спортсменів.
Особливості прогнозування мікроклімату льодових арен
Важливою задачею при проектуванні даних об'єктів є забезпечення їх сучасною системою вентиляції і кондиціонування повітря, що дозволяє підтримувати параметри повітряного середовища в обсязі приміщення арени. Інтервал таких значень повинен відповідати комфортним і технологічними умовами.
Розподіл температури і картина перебігу повітря Льодового палацу «Великий»
Використання спрощених балансових методів, законів формування струменевих течій і т. П. Для достовірного опису поведінки потоків повітря в «чаші» льодових арен вельми складно, а в більшості випадків практично неможливо. Обумовлено це такими особливостями, як:
- істотна неізотермічних течії по простору (як по висоті, так і в горизонтальних перетинах);
- взаємодія вимушених потоків повітря (припливні струмені від сопел, дифузорів) і інтенсивних вільно конвективних течій (потоки теплого повітря, що піднімаються від масиву глядачів);
- необхідність врахування радіаційної складової на значній частині поверхонь, що беруть участь в теплообміні (поверхню льоду і покрівлі).
Зазначені особливості призводять до необхідності використання методів обчислювальної гідродинаміки для аналізу і подальшого коректування проектних рішень по розподілу повітря льодових арен. Іншими словами, потрібне залучення методів, заснованих на чисельному рішенні системи тривимірних диференціальних рівнянь Нав'є - Стокса.
Математичне моделювання льодових арен
При аналізі проектних рішень олімпійські об'єкти Льодова арена «Шайба» і Льодовий палац «Великий» моделювалися для режиму «хокейний матч», а Палац зимового спорту «Айсберг» - для режимів «фігурне катання» і «шорт-трек».
Глядачі є причиною істотних тепло- і вологонадходження в обсязі арени. Крім того, в моделях враховані теплопоступления від освітлювальних приладів і інформаційних екранів. Температура льоду варіюється в залежності від типу проведеного заходу. Так, для змагань з фігурного катання температура льоду дорівнює -4 ° C, для хокею -5 ° C, а для змагань з шорт-треку -8 ° C.
Жорсткі вимоги при здачі льодових об'єктів пред'являються до значень температури і відносної вологості на позначці 1 м від рівня льодової поверхні.
Температуру в зоні глядацьких трибун слід підтримувати в діапазоні від 18 до 24 ° C.
Рух хокеїстів призводить до виникнення інтенсивного перемішування повітряного середовища в зоні льодового поля. Останнє веде до руйнування ламінарного прикордонного шару на льодовій поверхні і, відповідно, до збільшення коефіцієнта тепловіддачі льодової поверхні. У сукупності з інтенсивним перемішуванням повітряних мас над льодовим полем це призводить до зниження (у порівнянні з умовами перебування нерухомих гравців на полі) температури повітря. Для моделювання подібного ефекту була створена математична модель з внесенням в область руху хокеїстів кінетичної енергії турбулентності і швидкості її дисипації.
Подача повітря в зону льодового поля
Як показали проведені дослідження, найбільш проблемним місцем при проектуванні виявляється організація подачі повітря в зону льодового поля. Важлива проблема полягає в тому, що при виборі обладнання, наприклад сопел, проектувальники в якості вихідних параметрів для програм підбору, як правило, закладають температуру на виході з сопел і температуру в робочій зоні, в даному випадку поблизу льодового поля. Однак в разі льодових арен з трибунами для глядачів це виявляється невірним.
Так, якщо температура припливного повітря з сопел по проекту 20 ° C, а температура на позначці 1 м над поверхнею льоду 14 ° C, то програма підбору (або по закономірностям поширення струменевих течій) розглядає приточную струмінь як «теплу», т. Е. спливаючу у міру поширення в напрямку льодового поля з відповідним зниженням її дальнобійності. Однак при значних теплопоступлений від глядачів (близько 1 МВт), що характерно для великих об'єктів, зокрема розглянутих олімпійських, температура у верхній зоні під покрівлею стає вище 25 ° C. В цьому випадку припливна струмінь від сопел (20 ° C) на початку поширюється як «холодна» в навколишньому повітрі з температурою вище 25 ° C, прискорюючись при цьому по відношенню до изотермичности струмені, і тільки потім у міру наближення до льодової поверхні починає себе вести як «тепла» і спливає. Таким чином, фактична далекобійність струменя істотно перевищує ту величину, яку розрахує програма підбору. Як наслідок, на практиці струмінь буде «заглиблюватися» в лід, привносячи з собою тепле повітря і викликаючи танення льоду. Саме цю ситуацію ми і отримали при математичному моделюванні вихідного проектного рішення Палацу зимового спорту «Айсберг».
Передбачити розподіл температури повітря в обсязі арени з тим, щоб врахувати його при складанні проектного рішення, без залучення методів математичного моделювання надзвичайно складно, а для окремих випадків і неможливо.
Відзначимо, що розглянута проблема виникає при розрахунку не тільки льодових арен, а й будь-яких об'єктів, для яких характерне істотно нерівномірний розподіл температури.
У таких випадку методи математичного моделювання - необхідний інструмент аналізу і коригування закладених проектних рішень по розподілу повітря. ●
теплохолодопостачання
, Математичне моделювання , кліматизація , Інженерні системи , Автоматизація
<
