Исследователь разработал метод, упрощающий расчет распределения тепла в закрытых помещениях. Ранее подобные вычисления требовали мощных суперкомпьютеров, но теперь эту задачу можно решить с помощью обычной видеокарты на персональном компьютере. Новая методика позволит оптимизировать отопление в рабочих зонах, таких как заводские цеха, сократить теплопотери и определить оптимальное размещение отопительных и вентиляционных систем для предотвращения застоя воздуха. Результаты работы, поддержанной Российским научным фондом, опубликованы в Chinese Journal of Physics.
Традиционный расчет потребности в отоплении зданий (заводов, офисов) основывается на уравнении теплового баланса, которое игнорирует естественное движение воздуха (холодный воздух опускается, теплый поднимается). Существуют более сложные модели, включающие турбулентные воздушные потоки и теплообмен, но их расчет требует значительных вычислительных ресурсов. Классический подход к решению таких моделей основан на уравнении Навье—Стокса, требующем суперкомпьютерной мощности, поскольку на каждом шаге расчета необходимо проверять условие неразрывности потока.
Ученый из Томского политехнического университета предложил альтернативный метод для моделирования естественных турбулентных потоков. Он заменил ресурсоемкое уравнение Навье—Стокса на более быстрое уравнение Больцмана, адаптировав его для описания турбулентности. Преимущество этого подхода в том, что не требуется решать уравнение неразрывности на каждом шаге. Это позволяет рассчитать динамику воздушных потоков всего за полторы минуты на стандартной видеокарте. Таким образом, при планировании систем отопления инженеры теперь могут более точно учитывать конвекцию, используя эту модель вместо упрощенного уравнения теплового баланса.
Учет особенностей циркуляции воздуха позволяет оптимизировать размещение отопительных и вентиляционных устройств. Зоны с недостаточным перепадом температур могут создавать застой воздуха, а слишком теплые зоны — избыточную циркуляцию пыли. Точное моделирование важно, например, в медицинских учреждениях, где застой воздуха способствует скоплению вирусов. На промышленных предприятиях, где для экономии греют только рабочие зоны, новая модель поможет рассчитать наилучшее расположение локальных обогревателей для максимальной эффективности и экономии энергии.
Александр Ни, руководитель проекта (поддержанного грантом Российского научного фонда), кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Томского политехнического университета, отмечает: «В будущем планируется повысить скорость расчетов, распределяя их между несколькими видеокартами. Это позволит обрабатывать динамику системы в реальном времени, создавать “цифровые двойники” объектов с системами теплопотребления и отслеживать движение тепловых потоков, например, в работающем машинном цеху. Такой подход поможет предотвращать аварии и оперативно выявлять и устранять их причины».
