SYMULACJA NUMERYCZNA RUCHU POWIETRZA W OTOCZENIU ODSŁONIĘTYCH CZĘŚCI CIAŁA CZŁOWIEKA

Transkrypt

1 SYMULACJA NUMERYCZNA RUCHU POWIETRZA W OTOCZENIU ODSŁONIĘTYCH CZĘŚCI CIAŁA CZŁOWIEKA KLEMM Katarzyna 1 JABŁOŃSKI Marek 2 1 Instytut Architektury i Urbanistyki, Politechnika Łódzka 2 Katedra Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych, Politechnika Łódzka NUMERICAL SIMULATION OF AIR FLOW AROUND EXPOSED PARTS OF HUMAN S BODY The paper presents the numerical simulation of air flow around model of the human s body. The results were compared with data obtained from experiment. STRESZCZENIE W pracy przedstawiona została analiza numeryczna napływu strumienia powietrza i jego opływu wokół modelu człowieka. Uzyskane wyniki porównano z danymi otrzymanymi z badań rzeczywistych 1. WPROWADZENIE Człowiek w środowisku zewnętrznym narażony jest na działanie wiatru o różnej sile, powodujące występowanie dyskomfortu wietrznego. Szczególnego znaczenia nabierają strefy, w których przepływ powietrza ma wyraźnie turbulentny charakter. Świadome kształtowanie warunków komfortu wietrznego w zwartych strukturach zabudowy ma szczególne znaczenie. Badania w powyższym zakresie prowadzone były w różnych ośrodkach na świecie, gdzie dążono do ustalenia w miarę szerokiego spektrum wymagań dla zapewnienia optymalnego komfortu. Badania takie prowadzone były trzema drogami, poprzez pomiary w skali rzeczywistej, w tunelach aerodynamicznych i metodami symulacji numerycznej [1-4]. W pracy podjęto próbę powiązania badań z wykorzystaniem tunelu z analizą numeryczną opartą na modelu przepływu turbulentnego powietrza K - ε. Weryfikacja danych z rozwiązania symulacyjnego pozwoliła ocenić możliwość wykorzystania rozwiązań numerycznych do oceny oddziaływania wiatru na człowieka, przy przyjętych założeniach upraszczających. Główna uwaga zwrócona została na przepływ turbulentny powietrza w warstwach przypowierzchniowych przyjętego modelu człowieka, w szczególności w pobliżu odsłoniętych części ciała. 177

2 2. ANALIZA NUMERYCZNA I WYNIKI BADAŃ Przedmiotem badań był rozkład prędkości chwilowych strumienia powietrza w tunelu (o wymiarach 1 x 1m i długości 5m) w przekroju poprzecznym w odległości 0,75m od modelu człowieka i w bezpośrednim otoczeniu głowy. Rys.1. Układ pomiarowy oraz usytuowanie modelu człowieka. Fig.1. Measurement system with model of human body. W celu uzyskania pełniejszej informacji o rozkładzie pola prędkości przeprowadzona została symulacja numeryczna przepływu powietrza w tunelu przy zadanych warunkach brzegowych. Warunki brzegowe przyjęte w płaszczyźnie napływu, tj. prędkość, energia kinetyczna turbulencji i dyssypacja energii były zgodne z odpowiednim profilem uzyskanym z badań eksperymentalnych, opisanych w kolejnym punkcie pracy. 178

3 W pierwszym kroku zdefiniowano model geometryczny i wygenerowano siatkę obliczeniową. Na podstawie wprowadzonego opisu kształtu geometrycznego (poprzez powierzchnie) wygenerowano siatkę obliczeniową, której gęstość była większa w rejonach większych gradientów (prędkości, temperatur, itd.), a mniejsza w obszarach gdzie wartości gradientów są mniejsze. Generator siatki zawierał również algorytm do automatycznego generowania trójwymiarowej siatki obliczeniowej z uwzględnieniem modyfikacji na brzegu obszaru oraz funkcji gęstości elementów. Możliwe było wygenerowanie siatki zawierającej różne typy elementów. Całkowita liczba elementów siatki wynosiła około elementów. Rys.2. Tetrahedralna niestrukturalna siatka obliczeniowa. Fig.2. Tetrahedral non-structural mesh. Po zdefiniowaniu geometrii i siatki obliczeniowej podano warunki brzegowe i początkowe. Następnie opisano proces przez określenie równań modelu matematycznego i wybór metody ich rozwiązania. Rys.3. Wyniki symulacji numerycznej. Fig.3. Simulation results. 179

4 Rozwiązanie problemu polega na przekształceniu równań różniczkowych cząstkowych w równania algebraiczne lub równania różniczkowe zwyczajne. Równania te są rozwiązywane przy pomocy solvera z dokładnością określoną przez użytkownika (wartość domyślna i przyjęta 0.1% - błąd względny dla zmiennej wzięty z poprzedniej i aktualnej iteracji) [5]. Opracowanie i wizualizacja wyników była możliwa dzięki modułowi postprocesora, który tworzy wykresy i trójwymiarowe obrazy rozkładów wartości parametrów (prędkości, temperatury, ciśnień, itd). Pełna trójwymiarowa grafika umożliwia dowolne obracanie i ustawienie obiektów na ekranie oraz analizę w dowolnych przekrojach. Obliczenia wykonano dla średniej prędkości strumienia napływającego powietrza 2,5m/s. W wyniku przeprowadzonych obliczeń symulacyjnych uzyskano rozkłady prędkości strumienia powietrza, energii kinetycznej turbulencji i dyssypacji energii w przekroju w odległości 0,75m od modelu człowieka por. tab.1. Natomiast wartości powyższych parametrów w bezpośrednim otoczeniu modelu człowieka w strefach opływu podano w tablicy 2. Tablica 1. prędkości, energii kinetycznej turbulencji i dyssypacji energii w przekroju pionowym tunelu w odległości 0,75m od modelu człowieka (symulacja numeryczna) , , , , , ,0017 Tablica 2. Wartości średnie podstawowych parametrów prędkości, energii kinetycznej turbulencji i dyssypacji energii uzyskane z symulacji numerycznej w charakterystycznych punktach bezpośredniego otoczenia modelu człowieka (por. rys.1) , , , , , , BADANIA EKSPERYMENTALNE. WYNIKI BADAŃ Pomiary prędkości strumienia powietrza prowadzono przy wykorzystaniu czujników termoanemometrycznych rozmieszczonych w przekroju w odległości 0,75m od osoby badanej w trzech punktach pomiarowych. W strefie bezpośredniego otoczenia człowieka 180

5 prędkość jak i temperaturę rejestrowano również w 3 punktach pomiarowych rozmieszczonych w bezpośrednim otoczeniu głowy. Rejestrację wymienionych wyżej wielkości prowadzono w odstępach 1 sekundowych przez 60s po uzyskaniu ustalonego przepływu. Uzyskane wartości prędkości chwilowych i wyznaczone wartości energii kinetycznej turbulencji oraz dyssypacji energii przedstawiono w tablicy 3 i 4. Tablica 3. Wartości średnie prędkości i wyznaczone wartości energii kinetycznej turbulencji oraz dyssypacji energii w płaszczyźnie pionowej tunelu w odległości 0,75m (por. Rys.1.) , , , , , ,0014 Tablica 4. Wartości średnie prędkości i wyznaczone wartości energii kinetycznej turbulencji oraz dyssypacji energii w 3 punktach pomiarowych w otoczeniu człowieka poddanego testowi , , , , , ,0030 WNIOSKI 1. Przeprowadzona analiza porównawcza wykazała, że uzyskane wyniki dotyczące prędkości, energii kinetycznej turbulencji jak i dyssypacji energii w charakterystycznych punktach znajdujących się w obszarze bezpośredniego otoczenia odsłoniętych części ciała człowieka otrzymane na drodze analizy numerycznej i eksperymentu są zbieżne. 2. Możliwa jest przybliżona analiza numeryczna niekorzystnego ruchu powietrza wokół odkrytych części ciała dla różnych warunków wietrznych. Analiza numeryczna w stosunku do badań eksperymentalnych w tunelu czy w warunkach rzeczywistych jest znacznie tańsza. Stwarza to pewną możliwość symulowania bardzo różnych warunków wietrznych. Jednak ocena ostateczna odczuć komfortu i dyskomfortu wietrznego przez człowieka musi być prowadzona przy jego udziale. 3. Pełniejsza ocena możliwości zastosowania metod numerycznych w praktycznej ocenie komfortu i dyskomfortu wietrznego może mieć miejsce w przypadku 181

6 wykorzystania nieinwazyjnych metod pomiaru. Zwiększy się dokładność obserwacji i rejestracji zmian zachodzących w bezpośrednim otoczeniu ciała człowieka i jego reakcji na bodźce środowiska zewnętrznego. LITERATURA [1] Westbury, P.S., Miles, S.D., Stathopoulos, T., 2002, CFD application on the evaluation of pedestrian level winds, In Augusti G. & Borri C. (eds), Impct of wind and storm on city life and built environment, Cost Action C14; Proc. Workshop, Nantes, 3-4 June Nantes: CSTB, [2] S. Murakami, K. Vehara, K. Deguchi, Wind effects on pedestrians: New criteria based on outdoor observation of over 2000 persons, Proc. 5th Int.Conf. on Wind Engineering, Fort Collins, Colorado (1980) [3] J.A. Wisse, H.W. Krüs, E. Willemsen, Wind comfort assessment by CFD context and requirements, Workshop Proc. Cost Action C14 Impact of Wind and Storm on City Life and Built Environment, Nantes, (2002),154 [4] J. Gandemer, Wind environment around buildings: aerodynamic concepts. Proc. 4th Int. Conf. on Buildings and Structures, Heathrow (1975) 423 [5] Fluent 6.0 Product Documentation: User s Guide. FLUENT Inc., 2002 Dr Katarzyna Klemm, adiunkt w Instytucie Architektury i Urbanistyki Politechniki Łódzkiej. Tematyka zainteresowań: zagadnienia klimatu miast i inżynierii wiatrowej. klemmkat@p.lodz.pl Dr inż. Marek JABŁOŃSKI Adiunkt w Katedrze Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych Politechniki Łódzkiej Zainteresowania: akustyka budowlana, akustyka pomieszczeń, fizyka miasta, sztuczne sieci neuronowe. marojabl@p.lodz.pl 182