Численное моделирование продольной фильтрации воздуха в подоблицовочном слое навесной фасадной системы

строительная теплофизика и энергосбережение

Численное моделирование продольной фильтрации воздуха в подоблицовочном слое навесной фасадной системы

C.B. Гувернюк, В.В. Козлов, П.В. Леденев

Актуальность применения в настоящее время навесных фасадных систем (НФС) с вентилируемой воздушной прослойкой обуславливается повышением теплозащиты ограждающих конструкций зданий с нормальным температурно-влажностным режимом до уровня нормативных требований. Основными отличиями НФС с вентилируемой воздушной прослойкой от давно известных стен с вентилируемой воздушной прослойкой является наличие в воздушном зазоре мощного теплоизоляционного слоя, металлической подконструкции и облицовочного слоя, определяющего архитектурный облик здания. Если стены с вентилируемой воздушной прослойкой применялись в малоэтажных зданиях, то НФС с вентилируемой воздушной прослойкой применяются и в многоэтажных зданиях высотой в десятки метров, что также определяет специфику их теплофизических свойств.

Несмотря на то, что в России такие конструкции применяются около 15 лет, а в странах Западной Европы еще дольше, они изучены недостаточно. При проектировании НФС часто пренебрегается тем обстоятельством, что пористый волокнистый утеплитель из минеральной ваты работает в контакте с наружным воздухом, что обуславливает наличие фильтрационных процессов происходящих в утеплителе и приводящих к снижению теплозащитных свойств конструкции.

В настоящей работе рассмотрены вопросы о характере течения, значениях скоростей, распределение давления внутри вентилируемой прослойки, установлены механизмы возникновения продольной фильтрации в слое утеплителя НФС.

Постановка задачи. Решающее значение в задаче определения характеристик течения внутри воздушной прослойки НФС и продольной фильтрации через теплоизоляционный слой оказывает ветровое воздействие. Обусловлено это прежде всего современными тенденциями в строительстве к увеличению этажности строительных сооружений. Высотность многих сооружений зачастую превышает 100 м. Средняя скорость ветрового потока на такой высоте, согласно СНИП «Нагрузки и Воздействия» [1], может составлять 22—25 м/с для ветрового района 1а (условия г. Москва).

В результате ветровых воздействий формируется переменное распределение внешнего давления по облицовке фасадов. В свою очередь, под действием градиентов внешнего давления возникает внутреннее течение в воздушном зазоре навесных конструкций и в слое утеплителя.

Важным методическим моментом при определении характеристик течения внутри воздушной прослойки НФС является возможность определять внешнее давление независимо от внутреннего течения в прослойке. Это обусловлено малостью относительной площади зазоров между элементами облицовочного слоя — менее 1%. Столь малая проницаемость не оказывает заметного влияния на распределение внешнего давления. В этом смысле задачи внешней аэродинамики здания со сплошным или проницаемым фасадом тождественны. При этом для определения внутренних течений в воздушной прослойке НФС требуется знание распределения внешнего давления.

Вопросы численного моделирования внешнего обтекания строительных конструкций и получения распределений давления по поверхностям фасада изложены в [2—5].

В настоящей работе объектом исследования является межоконный простенок, его геометрическая конфигурация представлена на рис. 1.

На схеме рис. 1 обозначено 1 — светопрозрач-ный элемент; 2 — оконный откос; 3 — теплоизолирующий слой НФС; 4 — воздушная прослойка НФС; 5 — облицовочный слой НФС; 6 — конструкционный слой.

Математическая модель. Движение воздушной среды около тела описывается системой уравнений Рейнольдса, замыкаемых с помощью дополнитель-

> U

-> -> 4 2

-> шшшшшшшшшш. 1

6

Рисунок 1. Схема геометрической конфигурации межоконного простенка.

строительная теплофизика и энергосбережение

ных дифференциальных соотношений двухпарамет-рической диссипативной модели турбулентности.

Смысл такого подхода состоит в том, что любые мгновенные значения аэродинамических параметров потока представляются в виде суммы ос-редненной величины и ее пульсационной составляющей. Фактически это означает, что аэродинамическая величина, например, скорость потока, является случайной, осреднение которой во времени дает ее математическое ожидание, а пульсацион-ная составляющая которой — дисперсия случайной величины.

Существует большое разнообразие моделей турбулентности и, соответственно, способов замыкания системы уравнений турбулентного движения воздушного потока, обзор этих моделей и примеры тестирования можно найти в [6].

В настоящей работе расчеты выполнены с использованием модели турбулентности Ментора. Численное решение осуществлялось методом контрольного объема, интерполяция конвективных членов по схеме MARS, итерационный алгоритм SIMPLE.

Задача решалась в двумерной стационарной постановке.

Результаты численного моделирования. По результатам численного моделирования построены векторные поля скорости течения внутри воздушной прослойки НФС и теплоизоляционного материала (рис. 2—4).

Скорость потока в воздушной прослойке НФС в среднем составляет 1—3м/с, в теплоизоляционном слое 0,001—0,003м/с. Как показывают численные исследования [7], наличие даже такой малой

27.90

- 25.91

- 23.91

21.92

19.93

Рисунок 2. Векторное поле скорости вблизи стены сооружения.

скорости в слое утеплителя серьезно влияет на теп-лофизические характеристики ограждающей конструкции.

Выводы. Методами компьютерного моделирования, основанными на численном решении уравнений Навье-Стокса, получены характеристики течения воздушного потока внутри вентилируемой прослойки НФС и теплоизоляционного слоя.

Установлено наличие продольной фильтрации в теплоизолирующем слое НФС.

Значения скорости воздушного потока, проходящего через теплоизолирующий слой, оказывают влияние на теплофизические характеристики НФС.

Литература

1. Строительные нормы и правила. Нагрузки и воздействия. СНиП 2.01.07-85. — М.: Госстрой. 1986. — 36 с.

2. Гагарин В.Г. Компьютерное моделирование аэродинамических воздействий на элементы ограждений высотных зданий. Часть 1 / В.Г. Гагарин, С.В. Гувернюк // АВОК №8, 2006. С. 18-24.

3. Гагарин В.Г. Компьютерное моделирование аэродинамических воздействий на элементы ограждений высотных зданий. Часть 2 / В.Г. Гагарин, С.В. Гувернюк // АВОК №1, 2007. С. 16-22.

4. С.В. Гувернюк, П.В. Леденев. О влиянии эффектов трехмерного обтекания на распределение ветровых нагрузок на фасады высотных зданий // Вестник отделения архитектуры и строительных наук. Выпуск 13. Том 2 — Москва-Орел: РААСН, АСИ ОрелГТУ, 2009. — 272с.

5. П.В. Леденев. Численное моделирование ветрового воздействия на строительное сооружение с полуцилиндрическим профилем при турбулентном обтекании / / Материалы третьей Международной научно-технической конференции "Теоретические основы теплогазоснабжения и вентиляции" 11-13 ноября 2009 МГСУ Москва. — С. 219-223.

Рисунок 3. Векторное поле скорости внутри воздушной прослойки НФС.

Рисунок 4. Векторное поле скорости внутри теплоизоляционного слоя НФС.

342

2010

3

строительная теплофизика и энергосбережение

6. Моделирование турбулентных течений: Учебное пособие / И.А. Белов, С.А. Исаев, Балт. гос. ун-т. СПб., 2001. 108 с.

7. Гагарин В.Г. Продольная фильтрация воздуха в современных ограждающих конструкциях / В.Г. Гагарин, В.В. Козлов, И.А. Мехнецов // АВОК №8, 2005. С. 60-69.

8. Козлов В.В. Аналитический метод расчета движения воздуха в воздушном зазоре вентилируемого фасада с облицовкой, содержащей периодические разрывы / В.В. Козлов / / Строительная физика в XXI веке — М. НИИСФ РААСН, 2006. — С. 65-73.

Численное моделирование продольной фильтрации воздуха в подоблицовочном слое навесной фасадной системы

При проектировании навесных фасадных систем (НФС) часто пренебрегается тем обстоятельством, что пористый волокнистый утеплитель из минеральной ваты работает в контакте с наружным воздухом, что обуславливает наличие фильтрационных процессов происходящих в утеплителе и приводящих к снижению теплозащитных свойств конструкции.

В настоящей работе рассмотрены вопросы о характере течения, значениях скоростей, распределение давления внутри вентилируемой про-

слойки, установлены механизмы возникновения продольной фильтрации в слое утеплителя НФС.

Numerical simulation of the longitudinal filtration of air in the underlayer of permeable rain-screen walls by S.V. Guvernjuk, V.V. Kozlov, P.V. Ledenev At designing of permeable rain-screen walls (PRSW) it is often neglected that that the porous fibrous heater from mineral cotton wool works in contact to external air that causes presence of filtration processes occurring in a heater and heat-shielding properties of a design leading to decrease.

In the present work questions on character of a flow, values of speeds, distribution of pressure in a ventilated layer are considered, mechanisms of occurrence of a longitudinal filtration in a layer of heater PRSW are established.

Ключевые слова: навесные фасадные системы, аэродинамические характеристики, течение в воздушной прослойке, численное моделирование, продольная фильтрация.

Key words: permeable rain-screen walls, aerodynamic characteristics, flow in an air layer, numeric simulation, longitudinal filtration.