Ледовые арены Сочи. Опыт математического моделирования
Дарья Денисихина, Андрей Колосницын, Мария Луканина
Инженеры с помощью методов математического моделирования выполнили анализ проектных решений по воздухораспределению таких олимпийских объектов, как Дворец зимнего спорта «Айсберг», Ледовый дворец «Большой» и Ледовая арена «Шайба». Проведенные исследования показали, что исходные проектные решения не обеспечивают необходимые параметры воздушной среды вблизи ледового поля и требуют соответствующей корректировки.
Одной из основных проблем при проектировании систем вентиляции и кондиционирования воздуха ледовых арен является необходимость поддержания отличающихся значений параметров внутреннего воздуха вблизи ледовой поверхности и на трибунах. Невыполнение требований к параметрам воздуха у ледовой поверхности приведет к неравномерному подтаиванию льда, искривлению его поверхности, что абсолютно недопустимо для олимпийских объектов. Кроме того, параметры воздушной среды непосредственно влияют на эмоциональное и физическое состояние зрителей и спортсменов.
Особенности прогнозирования микроклимата ледовых арен
Немаловажной задачей при проектировании данных объектов является обеспечение их современной системой вентиляции и кондиционирования воздуха, позволяющей поддерживать параметры воздушной среды в объеме помещения арены. Интервал таких значений должен соответствовать комфортным и технологическим условиям.
Распределение температуры и картина течения воздуха Ледового дворца «Большой»
Использование упрощенных балансовых методов, законов формирования струйных течений и т. п. для достоверного описания поведения потоков воздуха в «чаше» ледовых арен весьма затруднено, а в большинстве случаев практически невозможно. Обусловлено это такими особенностями, как:
Указанные особенности приводят к необходимости использования методов вычислительной гидродинамики для анализа и последующей корректировки проектных решений по воздухораспределению ледовых арен. Иными словами, требуется привлечение методов, основанных на численном решении системы трехмерных дифференциальных уравнений Навье – Стокса.
Математическое моделирование ледовых арен
При анализе проектных решений олимпийские объекты Ледовая арена «Шайба» и Ледовый дворец «Большой» моделировались для режима «хоккейный матч», а Дворец зимнего спорта «Айсберг» – для режимов «фигурное катание» и «шорт-трек».
Зрители являются причиной существенных тепло- и влагопоступлений в объеме арены. Кроме того, в моделях учтены теплопоступления от осветительных приборов и информационных экранов. Температура льда варьируется в зависимости от типа проводимого мероприятия. Так, для соревнований по фигурному катанию температура льда равна –4 °C, для хоккея –5 °C, а для соревнований по шорт-треку –8 °C.
Жесткие требования при сдаче ледовых объектов предъявляются к значениям температуры и относительной влажности на отметке 1 м от уровня ледовой поверхности.
Температуру в зоне зрительских трибун следует поддерживать в диапазоне от 18 до 24 °C.
Движение хоккеистов приводит к возникновению интенсивного перемешивания воздушной среды в зоне ледового поля. Последнее ведет к разрушению ламинарного пограничного слоя на ледовой поверхности и, соответственно, к увеличению коэффициента теплоотдачи ледовой поверхности. В совокупности с интенсивным перемешиванием воздушных масс над ледовым полем это приводит к понижению (по сравнению с условиями нахождения неподвижных игроков на поле) температуры воздуха. Для моделирования подобного эффекта была создана математическая модель с внесением в область движения хоккеистов кинетической энергии турбулентности и скорости ее диссипации.
Подача воздуха в зону ледового поля
Как показали проведенные исследования, наиболее проблемным местом при проектировании оказывается организация подачи воздуха в зону ледового поля. Важная проблема состоит в том, что при выборе оборудования, например сопел, проектировщики в качестве исходных параметров для программ подбора, как правило, закладывают температуру на выходе из сопел и температуру в рабочей зоне, в данном случае вблизи ледового поля. Однако в случае ледовых арен с трибунами для зрителей это оказывается неверным.
Так, если температура приточного воздуха из сопел по проекту 20 °C, а температура на отметке 1 м над поверхностью льда 14 °C, то программа подбора (или по закономерностям распространения струйных течений) рассматривает приточную струю как «теплую», т. е. всплывающую по мере распространения в направлении ледового поля с соответственным снижением ее дальнобойности. Однако при значительных теплопоступлениях от зрителей (порядка 1 МВт), что характерно для больших объектов, в частности рассматриваемых олимпийских, температура в верхней зоне под кровлей становится выше 25 °C. В этом случае приточная струя от сопел (20 °C) в начале распространяется как «холодная» в окружающем воздухе с температурой выше 25 °C, ускоряясь при этом по отношению к изотермичной струе, и только потом по мере приближения к ледовой поверхности начинает себя вести как «теплая» и всплывает. Таким образом, фактическая дальнобойность струи существенно превышает ту величину, которую рассчитает программа подбора. Как следствие, на практике струя будет «ударяться» в лед, привнося с собой теплый воздух и вызывая таяние льда. Именно эту ситуацию мы и получили при математическом моделировании исходного проектного решения Дворца зимнего спорта «Айсберг».
ВыводыПредугадать распределение температуры воздуха в объеме арены с тем, чтобы учесть его при составлении проектного решения, без привлечения методов математического моделирования чрезвычайно сложно, а для отдельных случаев и невозможно.
Отметим, что рассмотренная проблема возникает при расчете не только ледовых арен, но и любых объектов, для которых характерно существенно неравномерное распределение температуры.
В таких случая методы математического моделирования – необходимый инструмент анализа и корректировки заложенных проектных решений по воздухораспределению. ●
