CFD SIMULATION OF AIR ION REGIME IN WORK AREAS AT CONDITION OF ARTIFICIAL AIR IONIZATION

M. M. Biliaiev, S. G. Tsygankova

Abstract


Purpose. The paper supposes creation of a CFD model for calculating the air ion regime in the premises and in work areas at artificial ionization of the air by the ionizer installation indoors with considering the most important physical factors that influence the formation of ions concentration field. Methodology. The proposed CFD model for calculation of the air ion regime in work areas at artificial ionization of the air by installing ionizer indoors is based on the application of aerodynamics, electrostatics and mass transfer equations. The mass transfer equation takes into account the interaction of different polarities of ions with each other and with the dust particles. The calculation of air flow rate in the room is realized on the basis of the potential flow model by using the Laplace equation for the stream function. Poisson equation for the electric potential is used for calculation of the charged particles drift in an electric field. At the simulation to take into account: 1) influence of the working area geometric characteristics; 2) location of the ventilation holes; 3) placement of furniture and equipment; 4) ventilation regime in the room; 5) presence of obstacles on the ions dispersion process; 6) specific location of dust particles emission and ions of different polarity, and their interaction in the room and in the working zones. Findings. The developed CFD model allows determining the concentration of negative ions in the room and in the area of the human respiratory organs. The distribution of the negative ions concentration is presented in the form of concentration field isolines. Originality. The 2D CFD model for calculating the air ion regime in working areas, providing the ability to determine the ions concentration in a given place in the room was created. The proposed model is developed taking into account: placement of furniture and equipment in the room; geometric characteristics of the room; location of dust emissions sources and ions of different polarity; physical processes affecting the formation of ions concentration field. Practical value. The obtained 2D CFD model for calculating the air ions regime in working areas allow to calculate the concentration of ions at the location of the respiratory organs, taking into account the basic physical factors determining the formation of ions concentration fields. It will allow rationally arranged the ionizers in the working premises to create the comfortable working conditions for staff.


Keywords


air ions regime; concentration field of air ions; artificial ionization; CFD model; balance model

References


Beliaev N.N., Hunko E.Yu, Rostochilo N.V. Zashchita zdanii ot proniknoveniya v nikh opasnykh veshchestv [Protection of building from hazardous substances penetration in them]. Dnipropetrovsk, Aktsent Publ., 2014. 136 p.

Beliaev N.N., Tsygankova S.G. Otsenka aeroionnogo rezhima v rabochikh zonakh na baze CFD modeli [Evaluation of air ion regime in work areas on the basis of CFD models]. Zbirnyk naukovykh prats NGU [Proc. of NMU], 2015, no. 46, pp. 168-173.

Beliaev N.N., Tsygankova S.G. Raschet aeroionnogo rezhima v pomeshchenii i v rabochey zone na baze chislennoy modeli [Calculation of air ion regime in the premises and work area on the basis of a numerical model]. Zbirnyk naukovykh prats NGU [Proc. of NMU], 2015, no. 47, pp. 137-143.

Hlyva V.A., Klapchenko V.I., Ponomarenko S.M. Vyznachennia ta prohnozuvannia dynamiky zminy aeriionnoho skladu povitria vyrobnychykh prymishchen [Determination and prediction of the ionic air composition change dynamics in industrial premises]. Visnyk natsionalnoho tekhnichnogo universitetu Ukrainy «Kyivskii politechnicheskii institut» [Bulletin of National Technical University of Ukraine «Kyiv Polytechnic Institute»], 2010, issue 19, pp. 161-168.

Tolkunov I.A., Mariniukh V.V., Popov I. I., Ponomar V.V. Deiaki aspekty zabezpechennia normatyvnoho aeroionnoho rezhymu robochoho seredovyshcha primishchen spetsialnoho pryznachennia MNS Ukrainy [Some aspects of the regulatory ionic regime in working environment of the special purpose premises of the Ukrainian Ministry of Emergencies]. Problemy nadzvychainykh situatsii [Problems of Emergencies], 2008, no. 8, pp. 198-206.

Zaporozhets O.I., Hlyva V.A., Sidorov O.V. Normuvannia aeroionnoho skladu povitria robochykh prymishchen ta osnovni napriamy yogo vdoskonalennia [The standardization of the ionic air composition in work premises and main directions of its improvement]. Visnyk natsionalnoho aviatsiinoho universitetu [Bulletin of National Aviation University], 2011, no 1, pp. 139-143.

Zaporozhets O.I., Hlyva V.A., Sidorov O.V. Printsypy modeliuvannia aeroionnoho skladu povitria u prymishchenniakh [The principles of modeling the ionic air composition in premises]. Visnyk natsionalnoho aviatsiinoho universitetu [Bulletin of National Aviation University], 2011, no. 2, pp. 12-124.

Levchenko L.O., Hlyva V.A., Sidorov O.V. Tryvymirne modeliuvannia prostorovykh rozpodiliv kontsentratsii aeroioniv u povitri [Three-dimensional modeling of ions concentrations spatial distributions in indoor air]. Upravlinnia rozvytkom skladnykh system [Managing the development of complex systems], 2012, no. 11, pp. 198-206.

Bahrushyn V.E., Ignakhina M.A., Vertinskii D.V., Yeevsiukov A.Yu. Modelirovaniye raspredeleniya kontsentratsii ionov vblizi ionizatora [Simulation of distributing concentration of ions nearly ionizator]. Skladni systemy ta procesy − Complex systems and processes, 2002, no. 1, pp. 30-36.

Tolkunov I.A. Bipoliarnaia ionizatsia povitrianogo seredovyshcha primishchen funktsionalnykh pidrozdiliv mobilnogo hospitaliu MNS [Bipolaris ionization air environment of premises functional units mobile hospital of the Ministry of Emergencies]. Problemy nadzvychainykh situatsii [Problems of Emergencies], 2014, issue 14, pp. 161-170.

Tolkunov I.A., Popov I.I. Modeliuvannia protsesiv formuvannia poliv kontsetrtsii aeroioniv u povitrianomu seredovyshchi prymishchen spetsialnoho pryznachennia MNS Ukrainy [Simulation of the ions concentration fields formation in the air space of the special purpose premises of the Ukrainian Ministry of Emergencies]. Problemy nadzvychainykh situatsii [Problems of Emergencies], 2010, issue 12, pp. 175-184.

Tolkunov I.A., Popov I.I., Barbasin V.V. Teoreticheskhoye issledovaniye protsessov perenosa ionov v potokakh vozdukha v pomeshcheniiakh spetsialnogo naznachenia MCHS Ukrainy [Theoretical study of the ions transport processes in the air flows in the special purpose premises of the Ukrainian Ministry of Emergencies]. Problemy nadzvychainykh situatsii [Problems of Emergencies], 2010, issue 12, pp. 137-145.

Fletcher L.A., Noakes C.J., Sleigh P.A., Beggs C.B., Shepherd S.J. Air ion behavior in ventilated rooms. Indoor and Built Environment, 2008, vol.17, issue 2, pp. 173-182.

Drexler Р., Fiala P., Bartusek K. Numerical modeling of accuracy of air ion field measurement. Journal of Electrical Engineering, 2006, vol. 57, no. 8/S, рр. 62-65.

Murakami S. Computational wind engineering. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1990, vol. 36, part 1, рр. 517-538.

Noakes C.J., Sleigt C.J., Beggs C. Modelling the air cleaning performance of negative air ionisers in ventilated rooms. Proc. of the 10th Intern. Conf. on Air Distribution in Rooms. Roomvert 2007, (13 -15 June 2007), Helsinki, 2007. Avaliable at:http://eprints.whiterose.ac.uk/7700/1/Noakes_roomvent_07.pdf (Accessed 17 September 2015).

Jurelionis A., Gagytė L., Prasauskas T., Čiužas D., Krugly E., Šeduikytė L., Martuzevičius D. The impact of the air distribution method in ventilated rooms on the aerosol particle dispersion and removal: The experimental approach. Energy and Buildings, 2015, vol. 86, pp. 305-313.


GOST Style Citations


  1. Беляев, Н. Н. Защита зданий от проникновения в них опасных веществ : монография / Н. Н. Беляев, Е. Ю. Гунько, Н. В. Росточило. – Днепропетровск : Акцент ПП, 2014. – 136 с.
  2. Беляев, Н. Н. Оценка аэроионного режима в рабочих зонах на базе CFD модели / Н. Н. Беляев, С. Г. Цыганкова // Зб. наук. пр. / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 2015. – № 46. – С. 168–173.
  3. Беляев, Н. Н. Расчет аэроионного режима в помещении и в рабочей зоне на базе численной модели / Н. Н. Беляев, С. Г. Цыганкова // Зб. наук. пр. / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 2015. – № 47. – С. 137–143.
  4. Визначення та прогнозування динаміки зміни аероіонного складу повітря виробничих приміщень / В. А. Глива, В. І. Клапченко, С. М. Пономаренко [та ін.] // Вісн. нац. техн. ун-ту України «Київський політехн. ін-т». Серія : «Гірництво». – Київ, 2010. – Вип. 19. – С.161–168.
  5. Деякі аспекти забезпечення нормативного аероіонного режиму робочого середовища приміщень спеціального призначення МНС України / І. О. Толкунов, В. В. Маринюк, І. І. Попов, В. В. Пономар // Проблеми надзвичайних ситуацій : зб. наук. пр. / Нац. ун-т цивіл. захисту України. – Харків, 2008. – Вип. 8. – С. 198–206.
  6. Запорожець, О. І. Нормування аероіонного складу повітря робочих приміщень та основні напрями його вдосконалення / О. І. Запорожець, В. А. Глива, О. В. Сидоров // Вісн. нац. авіац. ун-ту : зб. наук. пр. – Київ, 2011. – Вип. 1. – С. 139–143.
  7. Запорожець, О. І. Принципи моделювання динаміки аероіонного складу повітря у приміщеннях / О. І. Запорожець, В. А. Глива, О. В. Сидоров // Вісн. нац. авіац. ун-ту : зб. наук. пр. – Київ, 2011. – Вип. 2. – С. 120–124.
  8. Левченко, Л. О. Тривимірне моделювання просторових розподілів концентрацій аероіонів у повітрі приміщень / Л. О. Левченко, В. А. Глива, О. В. Сидоров // Управління розвитком складних систем : зб. наук. пр. / Київ. нац. ун-т буд-ва і архіт. – Київ, 2012. – № 11. – С. 198–206.
  9. Моделирование распределения концентрации ионов вблизи ионизатора / В. Е. Бахрушин, М. А. Игнахина, Д. В. Вертинский, А. Ю. Евсюков // Складні системи та процеси. – 2002. – № 1. – С. 30–36.
  10. Толкунов, І. О. Біполярна іонізація повітряного середовища приміщень функціональних підрозділів мобільного госпіталю МНС / І. О. Толкунов // Проблеми надзвичайних ситуацій : зб. наук. пр. / Нац. ун-т цивіл. захисту України. – Харків, 2014. – Вип. 14 – С. 161–170.
  11. Толкунов, І. О. Моделювання процесів формування полів концентрації аероіонів у повітряному середовищі приміщень спеціального призначення МНС України / І. О. Толкунов, І. І. Попов // Проблеми надзвичайних ситуацій : зб. наук. пр. / Нац. ун-т цивіл. захисту України. – Харків, 2010. – Вип. 12. – С. 175–184.
  12. Толкунов, И. А. Теоретическое исследование процессов переноса аэроионов в потоках воздуха в помещениях специального назначения МЧС Украины / И. А. Толкунов, И. И. Попов, В. В. Барбашин // Проблеми надзвичайних ситуацій : зб. наук. пр. / Нац. ун-т цивіл. захисту України. – Харків, 2010. – Вип. 11. – С. 137–145.
  13. Air ion behavior in ventilated rooms / L. A. Fletcher, C. J. Noakes, P. A. Sleigh [et al.] // Indoor and Built Environment. – 2008. – Vol. 17. – Iss. 2. – P. 173–182. doi: 10.1177/1420326X08089622.
  14. Drexler, Р. Numerical modeling of accuracy of air ion field measurement / P. Drexler, P. Fiala, K. Bartusek // J. of Electrical Engineering. – 2006. – Vol. 57, № 8/S. – P. 62–65.
  15. Murakami, S. Computational wind engineering / S. Murakami // J. of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. – 1990. – Vol. 36, рt. 1. – P. 517–538. doi:10.1016/0167-6105(90)90335-A.
  16. Noakes, C. J. Modelling the air cleaning performance of negative air ionisers in ventilated rooms [Электронный ресурс] / C. J. Noakes, P. A. Sleigt, C. Beggs // Pros. of the 10th Intern. Conf. on Air Distribution in Rooms – Roomvert 2007 (13.06–15.06.2007). – Helsinki, 2007. – Режим доступа: http://eprints.whiterose.ac.uk/77-00/1/Noakes_roomvent_07.pdf. – Загл. с экрана. – Проверено : 17.09.2015.
  17. The impact of the air distribution method in ventilated rooms on the aerosol particle dispersion and removal: The experimental approach / A. Jurelionis, L. Gagytė, T. Prasauskas [et al.] // Energy and Buildings. – 2015. – Vol. 86. – P. 305–313. doi:10.1016/j.enbuild.2014.10.014.


DOI: https://doi.org/10.15802/stp2016/60947

 

Cited-by:

1. COMPLEX OF NUMERICAL MODELS FOR COMPUTATION OF AIR ION CONCENTRATION IN PREMISES
M. M. Biliaiev, S. G. Tsygankova
Science and Transport Progress. Bulletin of Dnipropetrovsk National University of Railway Transport  Issue: 2(62)  First page: 16  Year: 2016  
doi: 10.15802/stp2016/67281



Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

 

ISSN 2307–3489 (Print)
ІSSN 2307–6666 (Online)