COMPLEX OF NUMERICAL MODELS FOR COMPUTATION OF AIR ION CONCENTRATION IN PREMISES

M. M. Biliaiev, S. G. Tsygankova

Abstract


Purpose. The article highlights the question about creation the complex numerical models in order to calculate the ions concentration fields in premises of various purpose and in work areas. Developed complex should take into account the main physical factors influencing the formation of the concentration field of ions, that is, aerodynamics of air jets in the room, presence of furniture, equipment, placement of ventilation holes, ventilation mode, location of ionization sources, transfer of ions under the electric field effect, other factors, determining the intensity and shape of the field of concentration of ions. In addition, complex of numerical models has to ensure conducting of the express calculation of the ions concentration in the premises, allowing quick sorting of possible variants and enabling «enlarged» evaluation of air ions concentration in the premises. Methodology. The complex numerical models to calculate air ion regime in the premises is developed. CFD numerical model is based on the use of aerodynamics, electrostatics and mass transfer equations, and takes into account the effect of air flows caused by the ventilation operation, diffusion, electric field effects, as well as the interaction of different polarities ions with each other and with the dust particles. The proposed balance model for computation of air ion regime indoors allows operative calculating the ions concentration field considering pulsed operation of the ionizer. Findings. The calculated data are received, on the basis of which one can estimate the ions concentration anywhere in the premises with artificial air ionization. An example of calculating the negative ions concentration on the basis of the CFD numerical model in the premises with reengineering transformations is given. On the basis of the developed balance model the air ions concentration in the room volume was calculated. Originality. Results of the air ion regime computation in premise, which is based on numerical 2D CFD model and balance model, are presented. Practical value. A numerical CFD model and balance model for the computation of air ion regime allow calculating the ions concentration in the premises in the conditions of artificial air ionization taking into account the main physical factors determining the formation of ions concentration fields.


Keywords


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

Full Text:

PDF

References


Belyayev N.N., Gunko Ye.Yu., Rastochilo N.V. Zashchita zdaniy ot proniknoveniya v nikh opasnykh veshchestv [Protection of building from penetration of hazardous substances]. Dnipropetrovsk, Aktsent PP Publ., 2014. 136 p.

Belyayev N.N., Tsygankova S.G. Kompleks chislennykh modeley dlya rascheta kontsentratsii aeroionov v pomeshcheniyakh [Complex of numerical models for computation of air ion concentration in premises]. Nauka ta prohres transportu – Science and Transport Progress, 2016, no. 1 (61), pp. 30-38. doi:10.15802/stp2016/60947.

Belyayev 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 Natsionalnoho hirnychoho universytetu – Bulletin of the National Mining University, 2015, no. 46, pp. 168-173.

Belyayev 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 Natsionalnoho hirnychoho universytetu – Bulletin of the National Mining University, 2015, no. 47, pp. 137-143.

Hlyva V.A., Klapchenko V.I., Ponomarenko S.M. et al. Vyznachennia ta prohnozuvannia dynamiky zminy aeroionnoho skladu povitria vyrobnychykh prymishchen [Determination and prediction of the ionic air composition change dynamics in industrial premises]. Visnyk natsionalnoho tekhnichnoho universytetu Ukrainy «Kyivskyi politekhnichnyi instytut». Seriia «Hirnytstvo» [Bulletin of Ukrainian National Technical University «Kyiv Polytechnic Institute»], 2010, issue 19, pp. 161-168.

Tolkunov I.O., Maryniuk V.V., Popov I.I., Ponomar V.V. Deiaki aspekty zabezpechennia normatyvnoho aeroionnoho rezhymu robochoho seredovyshcha prymishchen 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 sytuatsii [Problems of Emergencies], 2008, issue 8, pp. 198-206.

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

Zaporozhets O.I., Hlyva V.A. Sydorov, O.V. Pryntsypy modeliuvannia dynamiky aeroionnoho skladu povitria u prymishchenniakh [The principles of modeling the ionic air composition in premises]. Visnyk natsionalnoho aviatsiinoho universytetu – Bulletin of National Aviation University, 2011, no. 2, pp. 120-124.

Levchenko L.O., Hlyva V.A. Sydorov, O.V. Tryvymirne modeliuvannia prostorovykh rozpodiliv kontsentratsii aeroioniv u povitri prymishchen [Three-dimensional modeling of spatial distributions for air ions concentrations in the air]. Upravlinnia rozvytkom skladnykh system – Managing the Development of Complex Systems, 2012, no. 1, pp. 198-206.

Bakhrushin V.Ye., Ignakhina M.A., Vertinskiy D.V., Yevsyukov A.Yu. Modelirovaniye raspredeleniya kontsentratsii ionov vblizi ionizatora [Simulation of distributing concentration of ions nearly ionizator]. Skladnі sistemy ta protsesy – Complex Systems and Processes, 2002, no. 1, pp. 30-36.

Tolkunov I.A. Bipoliarna ionizatsiia povitrianoho seredovyshcha prymishchen funktsionalnykh pidrozdiliv mobilnoho hospitaliu MNS [Bipolar ionization of air environment of functional units premises of the mobile hospital of the Ministry of Emergencies]. Problemy nadzvychainykh sytuatsii [Problems of Emergencies], 2014, issue 14, pp. 161-170.

Tolkunov I.O., Popov I.I. Modeliuvannia protsesiv formuvannia poliv kontsentratsii 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 sytuatsii [Problems of Emergencies], 2010, issue 12, pp. 175-184.

Tolkunov I.A., Popov I.I., Barbashin V.V. Teoreticheskoye issledovaniye protsessov perenosa aeroionov v potokakh vozdukha v pomeshcheniyakh spetsialnogo naznacheniya 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 sytuatsii [Problems of Emergencies], 2010, issue 11, pp. 137-145.

Mayya Y.S., Sapra B.K., Khan A., Sunny F. Aerosol removal by unipolar ionization in indoor environments. Journal of Aerosol Science, 2004, vol. 35, pp. 923-941. doi: 10.1016/j.jaerosci.2004.03.001.

Fletcher L.A., Noakes C.J., Sleigh P.A. Air ion behavior in ventilated rooms. Indoor and Built Environment, 2008, vol. 17, no. 2, pp. 173-182. doi: 10.1177/1420326x08089622.

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, pp. 62-65.

Murakami S. Computational wind engineering. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 1990, vol. 36, part 1, pp. 517-538. doi:10.1016/0167-6105(90)90335-A.

Noakes C.J., Sleigt P.A, Beggs C. Modelling the air cleaning performance of negative air ionisers in ventilated room. Proc. of the 10th Intern. Conf. on Air Distribution in Rooms. Roomvert, 2007. Available 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. doi: 10.1016/j.enbuild.2014.10.014.


GOST Style Citations


  1. Беляев, Н. Н. Защита зданий от проникновения в них опасных веществ : монография / Н. Н. Беляев, Е. Ю. Гунько, Н. В. Расточило. – Днепропетровск : Акцент ПП, 2014. – 136 с.
  2. Беляев, Н. Н. Комплекс численных моделей для расчета концентрации аэроионов в помещениях / Н. Н. Беляев, С. Г. Цыганкова // Наука та прогрес транспорту. – 2016. – № 1 (61). – С. 30–38. doi:10.15802/stp2016/60947.
  3. Беляев, Н. Н. Оценка аэроионного режима в рабочих зонах на базе CFD-модели / Н. Н. Беляев, С. Г. Цыганкова // Зб. наук. пр. НГУ. – Дніпропетровськ, 2015. – № 46. – С. 168–173.
  4. 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. НГУ. – Дніпропетровськ, 2015. – № 47. – С. 137–143.
  5. 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.
  6. 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 цив. захисту України. – Харків, 2008. – № 8. – С. 198–206.
  7. 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. – 2011. – № 1. – С. 139–143.
  8. 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. – 2011. – № 2. – С. 120–124.
  9. 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. – № 1. – С. 198–206.
  10. 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.
  11. 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 цив. захисту України. – Харків, 2014. – Вип. 14. – С. 161–170.
  12. 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 цив. захисту України. – Харків, 2010. – Вип. 12. – С. 175–184.
  13. 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 цив. захисту України. – Харків, 2010. – Вип. 11. – С. 137–145.
  14. Aerosol removal by unipolar ionization in indoor environments / Y. S. Mayya, B. K. Sapra, A. Khan, F. Sunny // J. of Aerosol Science. – 2004. – Vol. 35. – P. 923–941. doi: 10.1016/j.jaerosci.2004.03.001.
  15. Air ion behavior in ventilated rooms / L. A. Fletcher, C. J. Noakes, P. A. Sleigh [et al.] // Indoor and Built Environment. – 2008. – Vol. 17, № 2. – P. 173–182. doi: 10.1177/1420326x08089622.
  16. 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.
  17. Murakami, S. Computational wind engineering / S. Murakami // J. of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. – 1990. – Vol. 36, pt. 1. – P. 517–538. doi:10.1016/0167-6105(90)90335-A.
  18. Noakes, C. J. Modelling the air cleaning performance of negative air ionisers in ventilated rooms [Electronic resource] / C. J. Noakes, P. A Sleigt, C. Beggs // Proc. of the 10th Intern. Conf. on Air Distribution in Rooms. – Roomvert, 2007 (13.06–15.06.2007). – Helsinki, 2007. – Available at: http://eprints.whiterose.ac.uk/7700/1/Noakes_roo mvent_07.pdf. – Title from the screen. – Accessed: 17.09.2015.
  19. 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/stp2016/67281

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

 

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