ОЦЕНКА ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ КРОВЕЛЬНОЙ ВОРОНКИ ВНУТРЕННЕГО ВОДОСТОКА ПРИ ПОМОЩИ ПОСТРОЕНИЯ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЙ МОДЕЛИ

Все чаще в современном строительстве используют построение информационных и конечно-элементных моделей для расчетов и проектирования инженерных систем в связи с их преимуществами перед классическим способом расчёта. Конечно-элементная модель помогает визуализировать протекание физических процессов, избегая построения реальных макетов и установок [5]. Для построения геометрии, а также для дальнейшего расчета используется программное обеспечение, и одним из вариантов является программа «Ansys», а именно модуль «CFX», на базе которого и будет выполнена конечно-элементная модель кровельной воронки и стояка внутреннего водостока.

На этапе построения геометрии модели были заданы параметры реальных данных о геометрии стояка и воронки, а именно высота стояка – 18 метров и диаметр стояка и воронки – 0,1 метр. На рисунке 1 представлены параметры модели воронки более подробно.

Рисунок 1. Геометрия воронки внутреннего водостока

После построения геометрии модели необходимо настроить расчетную сетку, чем меньше будут её сегменты, тем точнее произведется расчет.

Для расчета модели были так же настроены параметры сред, физические процессы которых и будут отслеживаться, такие как температура воды - 25 °C и состав воздуха.

Далее были определены граничные условия, а именно: opening – граничное условие для определения давления воздушной среды, inlet – граничное условия для подачи воды, outlet – граничное условие выхода жидкости. Для условия opening было выбрано значение атмосферного давления, для outlet – значение ускорения свободного падения.

На рисунке 2 представлена схема расположения граничных условий для построенной модели.

Рисунок 2. Схема расположения граничных условий модели

Иначе обстоит ситуация с граничным условием inlet. В ходе моделирования было построено 5 моделей с разными значениями скорости потока воды в условии inlet, но с одинаковой геометрией, что позволило сымитировать различный расход воды. Были выбраны следующие скорости потока жидкости: 0,1 м/с, 0,2 м/с, 0,5 м/с, 0,8 м/с и 1м/с.

Для расчета модели были использованы также параметры времени, в течение которого происходит расчет (20 секунд), и шаг, с которым программа считывает результаты (каждые 0,1 секунду).

После запуска расчета модели были получены результаты о движении воды через воронку и стояк внутреннего водостока. Для визуализации результата были использованы карты градиента.

Согласно теории, предполагаемая работа стояка внутреннего водостока предполагает различное движение жидкости: безнапорное (расчетное) – степень заполнения сечений стояка жидкостью К по всей высоте меньше единицы (K<1), напорное – полное заполнение сечений стояка жидкостью по всей высоте (K=1) и переходное (K≤1, а K=1 только в верхней части стояка)[1].

В подтверждение теории, на рисунке 3 можно заметить полное заполнение стояка жидкостью.

Рисунок 3. Распределение жидкости в стояке

Для более точного результата были получены значения расчета модели для последующего построения гистограммы количества входящей и выходящей жидкости, а также значение «перелива», характеризующего количество воды, образующегося над воронкой. Это значение определяет, происходит ли подтопление воронки или нет. На рисунке 4 представлена гистограмма пропускной способности стояка внутреннего водостока.

Рисунок 4. Гистограмма пропускной способности стояка: группа 1 – скорость потока жидкости 0,1 м/с; группа 2 – скорость потока жидкости 0,2 м/с; группа 3 – скорость потока жидкости 0,5 м/с, группа 4 – скорость потока жидкости 0,8 м/с, группа 5 – скорость потока жидкости 1 м/с

На гистограмме видно, что у групп 1-3 на протяжении всех 20 секунд моделирования значение «перелив» отрицательное или близкое к нулю, это означает, что при заданных скоростях потока жидкости не происходит подтопление воронки, а значит, стояк полностью пропускает входящий в него заданный расход. У групп 4-5 обратная ситуация – значение «перелив» положительное, это означает, что происходит подтопление воронки, а значит, стояк пропускает не полный расход воды.

В ходе построения конечно-элементной модели, и при анализе результатов было выявлено следующее: при значении скорости потока от 0,1 до 0,5 м/с в течение 20 секунд воронка стояка внутреннего водостока не подтапливается, и как следствие пропускает полный расход воды, который приблизительно варьируется в пределах от 0,17 до 0,60 л/с, а расход в 1,56 и 1,95 л/с, что в действительности превышает известные значения пропускной способности стояка диаметром 110 мм, а именно при скорости потока жидкости 0,8 м/с пропускная способность стояка данного диаметра составит 1,2 л/с, а при скорости 1 м/с – 1,5 л/с.