Сравнительный анализ двухмерного и трехмерного моделирования процессов теплопереноса при работе газового инфракрасного излучателя в помещении

Abstract

Актуальность. Для сокращения затрат на отопление в больших помещениях локальные рабочие зоны предлагается обогревать системами на основе газовых инфракрасных излучателей, способных направлять радиационный тепловой поток. Однако широкое применение газовых инфракрасных излучателей тормозится имеющимися сложностями с предварительной оценкой перемещения конвективно-радиационных тепловых потоков, от чего зависит количество и расположение отопительных приборов. Предварительная оценка осложняется необходимостью в ряде случаев одновременным 3D-моделированием множества физических процессов. Для сокращения временных затрат на расчеты необходимо оценить возможность замены трудоемкого 3D-моделирования методикой расчета системы отопления с применением газовых инфракрасных излучателей на основе 2D-подхода. Цель: доказать, что применение двухмерной модели рассматриваемых процессов позволяет получить основные характеристики теплового режима помещения, дающие возможность заменить пространственное моделирование. Объект: система отопления с газовым инфракрасным излучателем «светлого» типа и система приточно- вытяжной вентиляции в качестве системы воздухообмена. Методы: двухмерное и трехмерное математическое моделирование процессов сопряженного теплопереноса методом конечных элементов. Математическое моделирование проводилось в программной среде COMSOL Multiphysics с использованием модулей: «The Heat Transfer in Fluids Interface», «Surface-to-Surface Radiation» и «The Turbulent Flow, k-ε Interface». Результаты. Приведены результаты математического моделирования, выполненные в трехмерной и двухмерной постановках. Представлено распределение температур по воздуху и ограждающим конструкциям, а также линии тока нагреваемого и нагретого воздуха в объеме помещения. Проведено сравнение результатов двумерного и трехмерного моделирования, по результатам которого установлено удовлетворительное сходство рассчитанных средних температуры воздуха в локальной рабочей зоне. Различие составило менее 2 ℃ для разных пространственных подходах к моделированию.

Relevance. It is proposed to heat local work areas with systems based on gas infrared heaters, capable of directing radiative heat flow to reduce heating costs in large premises. However, the widespread use of gas infrared heaters is hampered by the existing difficulties with the preliminary assessment of convective-radiative heat flows movement, on which the number and location of heating devices depends. The preliminary assessment is complicated by the need in some cases for 3D modeling of complex physical processes. It is necessary to evaluate the possibility of replacing labor-intensive 3D modeling with a method for calculating a heating system using gas infrared emitters based on a 2D approach to reduce the time spent on calculations. Aim. To prove that the use of a two-dimensional model of the processes under consideration makes it possible to obtain the main characteristics of the thermal regime of the premises, making it possible to replace spatial modeling. Objects. Heating system with a light-type gas infrared heater and an air exchange system. Methods. Twodimensional and three-dimensional mathematical modeling of conjugate heat transfer processes using the finite element method. Mathematical modeling was carried out in the COMSOL Multiphysics software environment using the modules: "Heat Transfer Interface in Liquids", "Radiation between Surfaces" and "Turbulent Flow, k-ε Interface". Results. The article presents the results of mathematical modeling performed in three-dimensional and two-dimensional formulations. The distribution of temperatures in the air and enclosing structures, as well as the flow lines of heated air and air, which was heating, in the volume of the premise are presented. The results of two-dimensional and three-dimensional modeling were compared. Satisfactory similarity of the calculated average air temperatures in the local working area was established based on the results. The difference was less than 2℃ for different spatial modeling approaches.