شبیه سازی تهویه مطبوع در فلوئنت

استفاده از انسیس فلوئنت برای طراحی بهتر و بهینه‌­تر سیستم‌­های تهویه مطبوع

نرم افزار انسیس فلوئنت یکی از بهترین و دقیق‌ترین انتخاب‌ها برای شبیه‌سازیِ سیستم‌­های تهویه مطبوع است؛ به کمک این نرم افزار می‌توان احتمال نیاز به اصلاح و انجام تغییرات در حین ساخت مدل واقعی و میدانی را کاهش داد. تهویه‌ی مطبوع کنترل همزمان دما، رطوبت و پاکیزگی هوا و توزیع مناسب آن به منظور تامین شرایط مورد نیاز فضای ساختمان است. تهویه مطبوع یعنی انجام عملیاتی روی هوا تا بتوان شرایط هوای محل مورد نظر را برای زیستن، کار کردن یا عملیات صنعتی معین، راحت و بهداشتی کرد و به حد مطلوب رساند. تهویه مطبوع باعث می‌شود شرایط هوا طبق روش خاصی به صورت خودکار ثابت بماند یا تغییر کند. تهویه مطبوع یا هوارسانی دلپذیر یا هوایش دلپذیر، شاخه‌ای از مهندسی مکانیک است و وظیفه آن تأمین شرایطی است که موجب رفاه انسان شود. تهویه مطبوع معمولاً شامل : سرمایش، گرمایش، رطوبت زنی و رطوبت زدائی و تصفیه هوا می‌باشد.

کاربردهای سیستم‌­های تهویه مطبوع

• ساختمان

از مهمترین وظایف یک سیستم تهویه مطبوع، تامین شرایط آسایش برای ساکنین یک فضای مسکونی، اداری یا تجاری است. از این رو در این سیستم‌ها اغلب در مجتمع‌های مسکونی یا چند منظوره استفاده می‌شود.

• بیمارستان

تامین شرایط آسایش در بیمارستان‌ها مهم است ولی نکته‌ی مهمتر تأمین بهداشت و تعویض هوای داخل و تامین هوای پاک و تصفیه شده جهت اتاق‌های عمل و دیگر فضاهاست. این امر تا حدی اهمیت دارد که می‌تواند باعث حفظ یا از بین رفتن جان انسان­‌ها شود. از این رو استانداردهای سخت گیرانه‌­ای در زمینه­‌ی سیستم‌های تهویه مطبوع بیمارستانی تدوین و اجرا می‌شود.

• داروسازی

در صنایع داروسازی و اتاق‌های تمیز، تامین هوای پاک بدون آلودگی و ذرات اهمیت بسیار فراوانی دارد و سیستم­های تهویه مطبوع و هوارسان‌های‌ هایژنیک چنین امری را محقق می‌سازند.

• هتل

در هتل­‌ها نیز تامین شرایط آسایش و مطلوب به همراه بهینه سازی مصرف انرژی اهمیت زیادی دارد؛ ازین رو باید از سیستم­­های تهویه مطبوع پیشرفته و بروزی استفاده کرد تا علاوه بر انجام وظایف مربوط به سرمایش و گرمایش، مدیریت مصرف انرژی نیز بهینه باشد.

• اماکن عمومی، تفریحی، فرهنگی

در بسیاری از مجتمع‌هایی که پر رفت و آمد هستند باید از سیستم تهویه مطبوع مناسب استفاده کرد تا علاوه بر سرمایش و گرمایش، تامین هوای تازه نیز به درستی صورت پذیرد و کاربران با احساس راحتی، زمان بیشتری را صرف کنند.

• صنایع و کارخانجات

همانند موارد بالا در اغلب خطوط تولید کارخانجات نیاز به سیستم‌های تهویه مطبوع نیاز است تا بتوان کیفیت محصول را به درستی تضمین کرد.

اهمیت شبیه سازی و استفاده از نرم افزار های تحلیلی مانند انسیس فلوئنت برای بررسی تاثیر سیستم تهویه مطبوع

در دنیای امروزی، اکثر مهندسین و معمارها به منظور بررسی ایمنی، راندمان انرژی و همچنین هدف­‌هایی مانند دوام و مقاومت از نرم افزار­های شبیه سازی­‌های مهندسی استفاده می­‌کنند. نرم‌­افزار­های شبیه سازی به منظور ارائه کردن یک نمونه مجازی و محاسبه عملکرد سیستم تهویه مطبوع یک ساختمان یا یک فضا مورد استفاده قرار می­‌گیرد. این روش طراحی مجازی ساختمان باعث می شود که:

• بررسی های بیشتر و سریع تری برای طراحی های مختلف مورد بررسی قرار بگیرد.
• درک بهتری نسبت به پارامتر ها و اجزایی که باعث افزایش راندمان می شود پیدا کنیم.
• راه حل های ابداعی و جدید بیشتری را پیدا کرد.

شبیه سازی تهویه مطبوع در سالیان گذشته با توجه به شیوع بیماری­های جهانی که بر بسیاری از مردم و شرکت­ها تاثیر منفی گذاشته است، به شدت مورد اهمیت قرار گرفته است. با شروع شیوع ویروس کووید-۱۹، تلاش ها برای کمتر کردن و فرو نشانی این بیماری افزایش یافته است و بسیاری از مشاغلی که کمتر حیاتی هستند، به پایان راه رسیدند. این ویروس به شدت مسری غالباً به واسطه این سه روش عمده منتقل می شود :

• ذرات موجود در هوا
• قطرات ناشی از عطسه یا سرفه
• لمس یک سطح آلوده

مکان­‌های عمومی باید روش های مختلف تهویه مطبوع را برای کاهش شیوع این ویروس به واسطه ذرات موجود در هوا در نظر بگیرند تا ما بتوانیم با خیال راحت به کارهای روزمره خود بپردازیم. به طور مثال در یک باشگاه ورزشی صاحب باشگاه باید سیستم تهویه مطبوع خود را به منظور جلوگیری از انتشار ویروس کووید-۱۹، مطابق با استاندارد­های تعریف شده اصلاح کند و بهبود ببخشد.

انجام این اصلاحات و بهینه سازی­‌ها بدون استفاده از نرم­‌افزار­های تحلیلی علاوه­ بر صرف زمان زیاد، هزینه‌­های مالی سنگینی را نیز شامل می­‌شود. نرم افزار انسیس راه حل‌های متفاوتی را مانند انسیس دیسکاوری (Ansys Discovery) و انسیس فلوئنت (Ansys Fluent)، برای یک شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتیِ سیستم‌های گرمایش و تهویه مطبوع ارائه می­‌دهد.

راه حل‌­های انسیس برای شبیه سازی سیستم­‌های تهویه مطبوع : بررسی­‌های قبل از طراحی

محیط نرم افزار انسیس دیسکاوری می تواند برای امتحان کردن روش‌ها و مفاهیم مختلف طراحی، قبل از رسیدن به یک طرح نهایی بهینه شده یا ساخت یک نمونه فیزیکی مورد استفاده قرار بگیرد. انسیس دیسکاوری سه قابلیت دارد:

• تهیه هندسه مسئله
• پیدا کردن روش­‌های مختلف طراحی
• تایید کردن طراحی

تهیه هندسه مسئله‌ی این امکان را در اختیار ما قرار می‌دهد تا بتوانیم خیلی سریع  یک مدل را برای انجام شبیه سازی های خود تهیه کنیم یا طراحی‌های مختلف را مورد مطالعه قرار دهیم. با یک کلیک، شما می توانید وارد بخش طراحی اسپیس کلیم SpaceClaim شده و در آنجا با ایده‌های مختلف طراحی آشنا شوید. بعد از رفع کردن مشکلات مربوط به ایده‌ی طراحی، می توانید برای تایید کردن طراحی خود وارد بخش تصحیح یا پالایش شوید.

تمام مرزها، ویژگی­‌های مواد و سایر شرایطی که در نرم افزار انسیس دیسکاوری در نظر گرفته شده بود، نگه داشته می‌شود و به بخش بعدی منتقل می‌گردد. یک شبکه بصورت خودکار ایجاد می شود و این اجازه به شما داده می‌­شود تا مش (=شبکه) را بهبود ببخشید. زمانی که شما نیاز به قابلیت‌های بیشتری برای شبیه سازی سیستم‌­های تهویه مطبوع خود دارید، می­توانید فایل کیس cas. خود را تنها با یک کلیک وارد نرم افزار انسیس فلوئنت کنید. با این کار مدل هندسی، مش و تمام شرایطی که از قبل تعریف شده بود به محیط انسیس فلوئنت برای بررسی و بهینه سازی­‌های سیستم تهویه مطبوع منتقل می‌شود.

تایید طراحی و بهینه سازی

نرم افزار انسیس فلوئنت می تواند شبیه سازی­‌هایِ با دقت بالایی را برای تمام اجزای سیستم‌­های تهویه مطبوع ارائه دهد. این کار احتمال نیاز به اصلاح در حین انجام فرآیند واقعی و میدانی را کاهش می‌دهد. فارغ از شبیه سازی فضای داخلی مدنظر، نرم افزار انسیس فلوئنت ویژگی­‌هایی در اختیار ما قرار می­‌دهد که به‌وسیله آن‌ها می­توان شرایط زیر را بهینه کرد:

• الگوی جریان
• نواحی سکون
• موقعیت و مکان دریچه‌ها
• کاهش شیوع بیماری

دو مثالی که در ادامه به آنها خواهیم پرداخت نشان می‌دهد که چگونه نرم افزار فلوئنت برای بررسی گزینه‌های مختلف طراحی و همچنین بهینه کردن سیستم های تهویه مطبوع یک اتاق فشار منفی مورد استفاده قرار گرفته است. اتاق های فشار منفی به منظور کمک به آلودگی‌های مضر در همان اتاق بیمار آلوده استفاده می شود. اتاق در فشاری پایین‌تر از فشار محیط قرار دارد. این امر به کمک سیستم های تهویه مطبوع اتفاق می‌افتد که باعث می‌شود هوا بیشتر از آنکه وارد شود، خارج ­شود.

به دام انداختن یک جزء آلوده در یک واحد ایزوله شده

اگرچه تمام کارکنانی که در اتاق­‌های فشار منفی هستند وسایل محافظتی شخصی خود را به تن دارند، پیشنهاد می‌شود که سیستم‌های تهویه بهتری نیز طراحی شود تا میزان اختلاط و گردش آلاینده‌های بیمار به حداقل برسد. سه طراحی با در نظر گرفتن موقعیت­‌های مختلف برای ورودی هوا مورد ارزیابی قرار گرفته است تا مشاهده شود که کدام طراحی میزان آلاینده بیشتری را در خروجی به دام می‌اندازد:

• دریچه وروردی بالای در
• دریچه وروردی در موقعیتی هم راستا با تخت
• دریچه وروردی بالای در و در موقعیتی هم راستا با تخت

دبی تهویه برابر با ۱۲ تغییر هوا بر ساعت، سازگار با دستورالعمل­‌ها و استانداردها.

نتایج به دست آمده با کمک نرم‌­افزار فلوئنت نشان می­‌دهد که در حالتی که دریچه هم راستا با تخت در نظر گرفته می شود، یک عمل جارو مانند بسیار موثر از آلودگی های بیمار به سمت خروجی ایجاد می­کند.

نتایج به دست آمده از نرم‌­افزار انسیس فلوئنت که یک عمل جارو مانند را برای کمک به تخلیه آلاینده های بیمار در یک اتاق فشار منفی را نشان می­‌دهد.

اطمینان از طراحی اتاق فشار منفی با کمک نتایج به دست آمده از نرم افزار انسیس فلوئنت

نرم‌­افزار انسیس فلوئنت می تواند برای ارزیابی طرح کلی اتاق فشار منفی برای نشان دادن میانگین سنی هوا نیز مورد استفاده قرار بگیرد که نشان دهنده طراوت هوا و به عبارتی میزان موثر بودن سیستم‌های تهویه مطبوع را نشان می­دهد. از میانگین سنی هوا برای تعیین کردن نقاط سکون و یا نواحی که هوا در آنجا دچار چرخش و درجا زدن می­شود استفاده نمود.

دو اتاق با ابعاد و شرایط یکسان در نرم‌­افزار انسیس فلوئنت مورد بررسی قرار گرفته است تا جهت‌­گیری دریچه و الگو بهینه‌ی جریانِ هوا مشخص شود. در حالت اول (چپ) دریچه‌­ها، هوا را مستقیما به طرف پایین هدایت می­کنند درحالیکه در حالت دوم (راست) دریچه‌­ها، هوا را مستقیماً به سمت تخت بیمار هدایت می­‌کند. نتایج بدست آمده از این شبیه سازی با کمک نرم‌­افزار انسیس فلوئنت نشان می­دهد که حالت اول، که دریچه­‌ها هوا را به سمت پایین هدایت می­کنند، گزینه مناسب­‌تری می‌باشد. در تصاویر پایین می­توان خطوط جریان و ارائه حجمی دو حالت ذکر شده را مشاهده کرد که در این تصاویر رنگ قرمز نشان­‌دهنده‌ی مناطقی است که مقدار زمان اقامت و ماندگاری هوا در آنجا بیشتر است.

نتایج شبیه سازی­‌های انجام شده توسط نرم‌­افزار انسیس فلوئنت به جهت تعیین بهترین سیستم تهویه مطبوع برای یک اتاق فشار منفی. حالت اول  به عنوان سیستم تهویه بهینه نسبت به حالت دوم می باشد. جریان هوا روبه پایین از دریچه، زمان ماندگاری هوا را کاهش می­دهد.

نرم‌­افزار انسیس فلوئنت در سایر شبیه سازی‌­های تهویه مطبوع برای کمک به تجزیه و تحلیل انتقال آلاینده­‌ها از جمله رستوران­‌ها، فروشگاه­‌های خرده فروشی، ساختمان‌های اداری و کابین­‌های هواپیما می‌تواند مورد استفاده قرار بگیرد.

برای آموزش مباحث تحلیل انرژی، نور و روشناییِ ساختمان، سایت دوست و همکار ما با نام “آپ گرین گرید” که از طریق این لینک در دسترس است، پیشنهاد ماست.