Редуковане моделювання формування мікроклімату в системах витискної вентиляції

Анотація

У роботі представлено розробку та чисельну реалізацію редукованої термодинамічної моделі для аналізу формування мікроклімату у системах витісняючої вентиляції за умов змінних теплових навантажень і витрат повітря. Дослідження спрямоване на опис пов’язаних процесів тепломасообміну, формування вертикальної температурної стратифікації та перенесення повітряних домішок у контрольованих внутрішніх середовищах, зокрема в приміщеннях із підвищеними вимогами до чистоти повітря. Чисельне оброблення математичної моделі та розрахунок параметрів вентиляційного процесу виконувалися з застосуванням Python 3.x з використанням бібліотек SciPy та NumPy, а візуалізування результатів здійснювалася за допомогою Matplotlib. Запропонована модель базується на інтегрованому підході, що поєднує рівняння енергетичного балансу, перенесення маси та механізми гравітаційного витіснення, які формують стратифікований повітряний потік. Такий підхід дозволяє отримати редуковану обчислювальну схему, яка зберігає фізичну коректність опису процесів при значному зниженні обчислювальної складності порівняно з методами обчислювальної гідродинаміки (CFD). Дослідження виконано для діапазону витрат повітря 0.30...0.75 м³·с⁻¹ та теплових навантажень 20...65 Вт·м⁻², що відповідає типовим умовам роботи систем витісняючої вентиляції в енергоефективних будівлях. Отримані результати показують стабільне формування температурної стратифікації з вертикальним градієнтом температури в межах 0.42...1.02 К·м⁻¹. Ефективність видалення забруднень змінюється в діапазоні 0.98...1.62 залежно від режиму роботи системи. Встановлено нелінійне зниження ефективності вентиляції при перевищенні витрати повітря понад 0.65 м³·с⁻¹, що пов’язано з руйнуванням стратифікованої структури потоку. Водночас визначено оптимальний режим роботи системи у межах 0.45...0.60 м³·с⁻¹, за якого досягається найкращий баланс між якістю повітря та стійкістю температурного поля. Наукова новизна роботи полягає у створенні єдиної редукованої термодинамічної моделі, що об’єднує процеси теплоперенесення, формування стратифікації та перенесення домішок у межах однієї обчислювальної структури. Запропонований підхід дозволяє підвищити точність інженерного прогнозування параметрів вентиляційних систем при одночасному суттєвому зниженні обчислювальних витрат.