Calculation of air ion regime in the case of artificial air ionization

Abstract

EN: Purpose. One of the major tasks in the field of labor protection is providing of the necessary qualitative composition of air in the working areas of office and industrial spaces. In order to maintain the necessary air ion level in the air space premises, the artificial ionization of air is used often in the premises. At present in Ukraine analytical model are used for the calculation of air ion regime in premises, influencing on the formation process of air ions concentration field. An alternative solution is the use of CFD models, developing including the air jets aerodynamics in the premise, the presence of furniture, equipment, transfer of ions under an electric field, and other physical factors, determining intensity and shape of air ions concentration field in the premise.

Methodology. Influence of air flow was taken into account in the development of CFD models for calculation of air ion regime in the apartment, caused by operation of ventilation, diffusion, electric field impact, as well as the interaction of different polarity ions with each other, and their interaction with dust particles. The proposed model of calculation of air ion regime in premises based on the use of aerodynamics, electrostatics and mass transfer levels. This model allows operatively to calculate air ions concentration field with the influence of the walls, floor, ceiling and obstacles on the process of air ions dispersion, the specific location of different polarity ions emission and their interaction in the premise and work areas in conditions of artificial air ionization.

Results. The calculated data were obtained and on their base could be estimated the concentration of air ion anywhere in the premise with artificial air ionization. Ions concentration field, being calculated using this CFD model, as concentration field isolines is presented.

Originality. The results of the air ion regime calculation in the premise are presented, based on numerical 2D CFD model. To solve the problem on the base, of the developed CFD model, about a minute of computer time is required.

Practical value. 2D CFD model for air ion regime calculation in premises allows to calculate the ions concentration in their working areas of premise in conditions of artificial air ionization including the basic physical factors, determining the formation of ions concentration fields

UK: Мета. Одне із найважливіших завдань у галузі охорони праці - забезпечення необхідного якісного складу повітряного середовища в робочих зонах офісних і виробничих приміщень. Для підтримки необхідного рівня аероіонів у повітряному середовищі приміщень часто застосовують штучну іонізацію повітря в приміщеннях. На даний момент в Україні для розрахунку аероіонного режиму в приміщеннях використовуються переважно аналітичні моделі, розроблені, як правило, без урахування різних фізичних факторів, що впливають на процес формування концентраційного поля аероіонів. Альтернативним рішенням є застосування CFD моделей, які розробляються з урахуванням аеродинаміки повітряних струменів у приміщенні, наявності меблів, обладнання, перенесення іонів за дії електричного поля, інших фізичних факторів, що визначають інтенсивність і форму концентраційного поля аероіонів у приміщенні. Методика. Розробляючи числову CFD модель для розрахунку аероіонного режиму в приміщеннях, враховували вплив потоків повітря, викликаних роботою вентиляції, дифузії, вплив електричного поля, а також взаємодію іонів різної полярності між собою і із частинками пилу. Запропонована модель розрахунку аероіонного режиму в приміщеннях заснована на застосуванні рівнянь аеродинаміки, електростатики і масопереносу. Ця модель дозволяє оперативно розраховувати концентраційне поле аероіонів з урахуванням впливу стін, підлоги, стелі, перешкод на процес розсіювання аероіонів, конкретного місця емісії іонів різної полярності та їх взаємодії в приміщенні і в робочих зонах в умовах штучної іонізації повітря. Результати. Отримано розрахункові дані, на підставі яких можна оцінити концентрацію аероіонів у будь-якому місці приміщення зі штучною іонізацією повітря. Концентраційне поле аероіонів, розраховане за допомогою даної CFD моделі, наведене у вигляді ізоліній. Наукова новизна. Наведено результати розрахунку аероіонного режиму в приміщенні на базі чисельної 2D CFD моделі. Для розв’язання задачі на базі розробленої CFD моделі потрібно близько хвилини комп'ютерного часу. Практична значимість. 2D CFD модель розрахунку аероіонного режиму в приміщеннях дозволяє розраховувати концентрацію аероіонів у робочих зонах приміщення в умовах штучної іонізації повітря з урахуванням основних фізичних факторів, що визначають формування концентраційних полів аероіонів

RU: Цель. Одной из важнейших задач в области охраны труда является обеспечение необходимого качественного состава воздушной среды в рабочих зонах офисных и производственных помещений. Для поддержания необходимого уровня аэроионов в воздушной среде помещений часто применяют искусственную ионизацию воздуха в помещениях. На данный момент в Украине для расчета аэроионного режима в помещениях используются преимущественно аналитические модели, разработанные, как правило, без учета различных физических факторов, влияющих на процесс формирования концентрационного поля аэроионов. Альтернативным решением является применение CFD моделей, которые разрабатываются с учетом аэродинамики воздушных струй в помещении, наличия мебели, оборудования, переноса ионов под действием электрического поля, других физических факторов, определяющих интенсивность и форму концентрационного поля аэроионов в помещении. Методика. При разработке численной CFD модели для расчета аэроионного режима в помещениях учитывалось влияние потоков воздуха, вызванных работой вентиляции, диффузии, воздействия электрического поля, а также взаимодействие ионов различной полярности друг с другом и с частицами пыли. Предложенная модель расчета аэроионного режима в помещениях основана на применении уравнений аэродинамики, электростатики и массопереноса. Данная модель позволяет оперативно рассчитывать концентрационное поле аэроионов с учетом влияния стен, пола, потолка, препятствий на процесс рассеивания аэроионов, конкретного места эмиссии ионов различной полярности и их взаимодействия в помещении и в рабочих зонах в условиях искусственной ионизации воздуха. Результаты. Получены расчетные данные, на основании которых можно оценить концентрацию аэроионов в любом месте помещения с искусственной ионизацией воздуха. Концентрационное поле аэроионов, рассчитанное с помощью данной CFD модели, представлено в виде изолиний концентрационного поля. Научная новизна. Представлены результаты расчета аэроионного режима в помещении на базе численной 2D CFD модели. Для решения задачи на базе разработанной CFD модели требуется около минуты компьютерного времени. Практическая значимость. 2D CFD модель расчета аэроионного режима в помещениях позволяет рассчитывать концентрацию аэроионов в рабочих зонах помещения в условиях искусственной ионизации воздуха с учетом основных физических факторов, определяющих формирование концентрационных полей аэроионов