Математическое моделирование аэроионного режима в помещении при искуственной ионизации воздуха

Abstract

RU: Цель. Обеспечение необходимого аэроионного состава воздушной среды в рабочих зонах является крайне важной задачей в области охраны труда и экологической безопасности. Одним из методов решения данной задачи является искусственная ионизация воздуха в помещениях. В настоящее время в Украине наблюдается определенный дефицит методик, позволяющих получить адекватную прогнозную информацию для обоснования конкретного режима ионизации помещений. Таким образом, возникает проблема создания специальных методов расчета, позволяющих с достаточной степенью оперативности определять рациональное расположение ионизаторов. Подобные модели должны учитывать аэродинамику воздушных струй в помещении, наличие мебели, оборудования, перенос ионов под действием электрического поля – то есть комплекс факторов, определяющих интенсивность и форму концентрационного поля аэроионов в помещении. Соответственно необходима разработка CFD модели для прогноза аэроионного режима в помещениях и в рабочих зонах, позволяющей учитывать наиболее существенные физические факторы, определяющие формирование концентрационного поля аэроионов. Методика. Предложенная CFD модель прогноза аэроионного режима в помещениях основана на применении уравнений аэродинамики, электростатики и массопереноса. Данная модель позволяет оперативно рассчитывать концентрационное поле аэроионов с учетом влияния стен, пола, потолка, препятствий на процесс рассеивания аэроионов, конкретного места эмиссии ионов различной полярности и их взаимодействия в помещении и в рабочих зонах. Результаты. Получены расчетные данные, на основании которых можно оценить концентрацию аэроионов в любом месте помещения с искусственной ионизацией воздуха. Концентрационное поле аэроионов представлено в виде матрицы значений концентрации отрицательных ионов внутри помещения. Результаты приведены в безразмерном виде: каждое число – это величина концентрации в процентах от величины максимальной концентрации в помещении. Научная новизна. Предложена новая 2D CFD модель прогноза аэроионного режима в помещениях, предоставляющая возможность при достаточно малых затратах компьютерного времени определить концентрационное поле аэроионов в заданном месте в помещении. Практическая значимость. 2D CFD модель прогноза аэроионного режима в помещениях позволит рассчитывать концентрацию аэроионов в рабочих зонах помещения с учетом основных физических факторов, определяющих формирование концентрационных полей аэроионов, что обеспечит возможность рационального расположения ионизаторов с целью создания наиболее благоприятного аэроионного режима для персонала.

UK: Мета. Забезпечення необхідного аероіонного складу повітряного середовища в робочих зонах є вкрай важливим завданням в галузі охорони праці та екологічної безпеки. Одним з методів вирішення даної задачі є штучна іонізація повітря в приміщеннях. В даний час в Україні спостерігається певний дефіцит методик, які б дозволяли отримати адекватну прогнозну інформацію для обґрунтування конкретного режиму іонізації приміщень. Таким чином, виникає проблема створення спеціальних методів розрахунку, які дозволяють з достатнім ступенем оперативності визначати раціональне розташування іонізаторів. Подібні моделі повинні враховувати аеродинаміку повітряних струменів в приміщенні, наявність меблів, обладнання, перенесення іонів під дією електричного поля - тобто комплекс факторів, що визначають інтенсивність і форму концентраційного поля аероіонів в приміщенні. Відповідно необхідна розробка CFD моделі для прогнозу аероіонного режиму в приміщеннях і в робочих зонах, що дозволяє враховувати найбільш істотні фізичні фактори, які визначають формування концентраційного поля аероіонів. Методика. Запропонована CFD модель прогнозу аероіонного режиму в приміщеннях заснована на застосуванні рівнянь аеродинаміки, електростатики і масопереносу. Дана модель дозволяє оперативно розраховувати концентраційне поле аероіонів з урахуванням впливу стін, підлоги, стелі, перешкод на процес розсіювання аероіонів, конкретного місця емісії іонів різної полярності та їх взаємодії в приміщенні і в робочих зонах. Результати. Отримано розрахункові дані, на підставі яких можна оцінити концентрацію аероіонів в будь-якому місці приміщення зі штучною іонізацією повітря. Концентраційне поле аероіонів представлено у вигляді матриці значень концентрації негативних іонів всередині приміщення. Результати наведені в безрозмірному вигляді: кожне число - це величина концентрації у відсотках від величини максимальної концентрації в приміщенні. Наукова новизна. Запропоновано нову 2D CFD модель прогнозу аероіонного режиму в приміщеннях, яка надає можливість за досить малих витрат комп'ютерного часу визначити концентраційне поле аероіонів в заданому місці в приміщенні. Практична значимість. 2D CFD модель прогнозу аероіонного режиму в приміщеннях дозволить розраховувати концентрацію аероіонів в робочих зонах приміщення з урахуванням основних фізичних факторів, що визначають формування концентраційних полів аероіонів, що забезпечить можливість раціонального розташування іонізаторів з метою створення найбільш сприятливого аероіонного режиму для персоналу.

EN: Purpose. The providing of required air ion formula in working areas is a very important task in labor protection and environmental safety field. One method of solving this problem is the artificial ionization of the indoor air. Currently, there is a definite shortage of methods in Ukraine, which is allowing to obtain an adequate prognosis information to substantiate the ionization premises specific regime. Thus, the problem of special calculation methods creation, allowing a sufficient degree of operational efficiency to determine a rational arrangement of ionizers. Such models should take into account the aerodynamics of air jets in the room, the presence of furniture, equipment, transport of ions in an electric field – i.e. a set of factors that determine the intensity and shape of the field concentration of ions in the room. Accordingly, it is need to develop models for the prediction of CFD air ion regime in premises and work areas, which allows to take into account the most important physical factors that determine the formation of ions concentration field. Methodology. The proposed CFD prognosis model of air ion regime in premises based on the use of aerodynamics, electrostatics and mass transfer equations. This model allows you to quickly calculate the ions concentration field in the room and work areas with the influence of the walls, floor, ceiling and obstacles in the process of dispersion of air ions, the specific location of ion emission of different polarity, and their interaction. Findings. The calculated data on which to estimate the ions concentration of anywhere in the room with artificial air ionization was received. Ions concentration field represented as a matrix of values negative ions concentration indoors. The results are given in dimensionless form, where each number - is a concentration measure in percentage of the maximum concentration in the room. Originality. A new 2D CFD model for prognosis of indoor air ion regime, which is providing the possibility for a sufficiently low cost of computer time to determine the ions concentration in a given place in the room is proposed. Practical value. 2D CFD prognosis model of indoor air ion regime allows to calculate the ions concentration in the working areas of the premises, taking into account the basic physical factors determining the formation of ions concentration fields, which will enable the rational arrangement of ionizers in order to create the most favorable air ion regime for the staff.