28873

بهينه‌سازي و آناليز حساسيت تهويه طبيعي متقاطع در ساختمان مدل همراه با به كارگيري مدل آشفتگي پيوندي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1399

1402/06/26

فرزاد بازديدي طهراني

مهندسي مكانيك

با افزايش روزافزون جمعيت شهري ميزان آلاينده گازي توليد شده در داخل و اطراف شهرها روبه‌افزايش است. از آنجايي ‌كه اين آلاينده‌ها مضر سلامتي انسان و محيط‌زيست هستند، پس بايد به نحو احسن از محيط زندگي انسان دور شوند. يكي از روش‌هايي كه بدون نياز به مصرف انرژي به تهويه و پراكنده‌سازي آلاينده‌ها در داخل ساختمان‌ها مي‌پردازد، تهويه طبيعي است. هدف از پايان‌نامه حاضر بررسي تأثير استفاده از پنجره محوري در تهويه طبيعي متقاطع براي يك ساختمان ايزوله بر ميدان جريان و پراكندگي آلاينده گازي و همچنين بهينه‌سازي آن است. ابتدا چارچوب بهينه‌سازي و مراحل مختلف آن معرفي مي‌شود. سپس متغيرهاي ورودي و خروجي بهينه‌سازي مشخص شده و هندسه مرجع تعيين مي‌گردد. چارچوب بهينه‌سازي مدنظر براي كاهش هزينه محاسباتي از دو روش متوسط‌گيري رينولدز ناوير - استوكس پايا (SRANS) و شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ جاسازي‌شده (ELES) استفاده مي‌كند. بعد از انجام تحليل اوليه محاسن و معايب اين نوع پنجره مشخص مي‌شود. سپس چهار متغير هندسي انتخاب مي‌شوند تا با حفظ محاسن اين نوع پنجره، تأثير معايب آن به حداقل برسند. سه متغير متوسط غلظت در ارتفاع تنفس نشسته، متوسط غلظت در ارتفاع تنفس ايستاده و متوسط غلظت در حجم داخلي ساختمان به ‌عنوان پارامترهاي خروجي انتخاب مي‌شوند. شبيه‌سازي‌هاي بهينه‌سازي توسط روش طراحي رويه انجام آزمايش نمونه‌برداري مي‌شوند و به وسيله روش سطح پاسخ مدل‌سازي مي‌شوند. آناليز حساسيت توسط مدل به دست آمده ارائه مي‌شود و سپس مدل به‌دست‌آمده توسط الگوريتم ژنتيك بهينه‌سازي مي‌شود و بهترين عملكرد پنجره محوري در تهويه متقاطع مشخص مي‌شود. نتايج حاصله حاكي از آن است كه مزيت اصلي استفاده از پنجره محوري در تهويه متقاطع، افزايش قدرت جت ورودي به داخل ساختمان است. مشكل اصلي هم ايجاد ناحيه انباشتگي آلاينده بزرگ در زير جت ورودي مذكور و افزايش غلظت متوسط در اين نواحي است. بعد از مدل‌سازي و بهينه‌سازي هندسه بهينه براي اين نوع پنجره معرفي مي‌شود و مقادير خطاي بهينه‌سازي و همچنين درصد بهبود عملكرد جواب نهايي گزارش مي‌شود. ميزان كاهش غلظت متوسط زماني آلاينده‌ها در متوسط سطحي ارتفاع نشسته، ارتفاع ايستاده و متوسط حجمي داخل ساختمان برابر با 59/6%، 57/3% و 20/93 % است.

1402/07/14

Optimization and Sensitivity Analysis of Natural Cross-Ventilation in a Model Building together with Use of a Hybrid Turbulence Model

9/16/2024 12:00:00 AM

With the escalating urban population, the emission of gaseous pollutants within and around cities has seen a significant rise. Given the detrimental impact of these pollutants on both human health and the environment, their effective removal from the urban living spaces is imperative. Natural ventilation stands as a viable solution for ventilating and dispersing indoor pollutants without the burden of energy consumption. This thesis aims to investigate the impact of utilizing a pivot window in a natural cross- ventilated isolated building, particularly in terms of its influence on the flow and dispersion of gaseous pollutants. Additionally, the optimization of this system is explored. The subsequent sections introduce the optimization framework along with its distinct stages. The identification of optimization input and output variables is followed by the determination of the reference geometry. To enhance computational efficiency and reduce computational cost, the optimization framework incorporates two methods: Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) and embedded large eddy simulation (ELES). Through initial analysis, the merits and drawbacks associated with this window type are identified. Subsequently, four geometric variables are chosen to mitigate the drawbacks while preserving the advantages of this design. Output parameters for optimization include average concentrations at sitting height, standing height, and within the building's internal volume. Optimization simulations are conducted using the design of experiments method and modeled through the response surface method. A sensitivity analysis is conducted by response surface result. The resultant model is optimized using a genetic algorithm, leading to the determination of the optimal performance of the pivot window in cross ventilation. An inherent advantage of employing a pivot window in cross ventilation is the augmentation of both the power and velocity of the incoming air jet. Nevertheless, a key challenge lies in the formation of localized pollutant accumulation zones beneath the inlet jet, subsequently causing an elevation in average concentration within these regions. Following meticulous modeling and optimization, the optimal geometry for this window type is proposed. Furthermore, optimization error values are presented alongside the percentage improvement in performance achieved by the final solution. The amount of decrease in the time average concentration of pollutants in the average sitting height, standing height and volume average inside the building is equal to 59.6%, 57.3% and 20.93%.

آلاينده گازي , شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ جاسازي‌شده , متوسط‌گيري رينولدز ناوير-استوكس , بهينه‌سازي , طراحي رويه انجام آزمايش‌ها , روش سطح پاسخ , الگوريتم ژنتيك

Gaseous Pollutant , Embedded Large Eddy Simulation , Reynolds Averaging Navier-Stokes , Optimization , Design of Experiments , Response Surface Method , Genetic Algorithm

Pouya Rafiei

Farzad Bazdidi-Tehrani