Come ottimizzare la simulazione del flusso in un condotto di ventilazione con apertura laterale?

La simulazione numerica di flussi d'aria attraverso condotti di ventilazione con aperture laterali richiede una progettazione meticolosa della rete di calcolo, poiché le variazioni locali del coefficiente di resistenza (LDC) devono essere considerate attentamente. In particolare, l’adattamento della rete di calcolo in prossimità delle pareti solide del condotto e delle aperture laterali è fondamentale per una simulazione accurata del comportamento del flusso.

Durante le fasi di adattamento, la rete di calcolo viene progressivamente raffinata per catturare con maggiore precisione le caratteristiche del flusso vicino ai muri del condotto e alle aperture. Ad esempio, nella fase finale dell’adattamento, le dimensioni delle celle variano da 0,123 mm a 1,6 cm, con un totale di 2,6 milioni di celle. Il parametro caratteristico usato in queste simulazioni è il coefficiente di resistenza locale (LDC), che viene determinato mediante le equazioni di bilancio delle pressioni all’interno del condotto.

In particolare, per calcolare il LDC, vengono presi in considerazione i seguenti parametri: la pressione totale upstream (Pup) e downstream (Pdown) in corrispondenza dell’apertura laterale, la perdita di pressione dovuta all’attrito (ΔPup e ΔPdown), e la velocità media del flusso. Le equazioni (3.1) e (3.2) mostrano il modo in cui queste grandezze sono interconnesse. La pressione atmosferica viene utilizzata come pressione di riferimento, assumendo che la pressione in ingresso all’apertura laterale sia praticamente nulla.

Un aspetto cruciale che emerge da queste simulazioni è l'importanza della convergenza della rete di calcolo. In particolare, l'utilizzo di modelli come il RSM EWT e l'RSM SWF ha mostrato una maggiore sensibilità al grado di raffinamento della rete, con fluttuazioni notevoli dei valori di LDC quando la mesh viene densificata. Al contrario, combinazioni come SKE SWF e SKE EWT hanno prodotto risultati più stabili, con minori variazioni nei valori di LDC anche al variare della densità della rete.

Per verificare l'affidabilità dei modelli numerici, è stato effettuato un confronto con i dati sperimentali provenienti da esperimenti precedenti. I risultati mostrano che, sebbene i modelli numerici possano avvicinarsi ai valori teorici riportati nei manuali di progettazione, la convergenza della rete numerica rimane un fattore critico da monitorare. La simulazione accurata del flusso richiede una mesh più fine, che risulta più adatta quando vengono utilizzati modelli come SKE EWT.

L’analisi del flusso in un condotto di ventilazione non può essere conclusa senza considerare gli studi sperimentali che validano i risultati numerici. Un setup sperimentale appositamente progettato è stato utilizzato per misurare la perdita di pressione statica e dinamica in un condotto dotato di apertura laterale. Le misurazioni di LDC sono state effettuate tramite manometri e anemometri termici, garantendo l'accuratezza delle letture. La configurazione sperimentale ha incluso una serie di regolazioni della dimensione dell’apertura laterale per simularne diversi comportamenti in funzione delle condizioni operative del sistema.

In definitiva, la validazione dei modelli numerici attraverso esperimenti diretti è essenziale per garantire l'affidabilità delle simulazioni, soprattutto quando le condizioni di flusso variano in modo significativo, come nel caso delle aperture laterali nei condotti. Questo approccio integrato tra simulazione e misurazione sperimentale permette di ottimizzare il progetto di condotti di ventilazione e ridurre le perdite di pressione, migliorando l'efficienza complessiva del sistema di ventilazione.

L'impatto della geometria degli scarichi laterali sugli effetti di resistenza del flusso nei condotti di ventilazione

Nel contesto della progettazione di aperture di scarico in condotti, la geometria del termine dell'apertura gioca un ruolo fondamentale nell'efficienza energetica del sistema. Un aspetto cruciale da considerare riguarda la dimensione dell'estremità cieca, che può trovarsi prima del tappo finale del condotto. In questo caso, il flusso che passa attraverso l'apertura deve adattarsi alla configurazione della parete terminale, creando una zona morta che influisce sulla resistenza. La resistenza al flusso in questi casi può essere caratterizzata dal parametro LDC (Loss Drag Coefficient), che varia a seconda delle dimensioni dell'apertura e della lunghezza della zona cieca.

Lo studio ha considerato aperture di diverse dimensioni, con un rapporto tra la dimensione della zona cieca e l'apertura che varia da 0.2 a 0.8 (s/b). I risultati ottenuti hanno mostrato che la dimensione della zona cieca ha un impatto minimo sul LDC, con una variazione totale del 3% tra i valori estremi. Di conseguenza, l'influenza delle dimensioni della zona cieca è ritenuta non significativa e non è stata indagata ulteriormente.

Un altro aspetto rilevante è l'effetto della rottura del flusso alla fine del condotto, che genera una configurazione vorticosa (VZ) all'ingresso dell'apertura. I contorni di questa zona vorticosa sono stati determinati sia sperimentalmente che numericamente. Si è scoperto che i contorni dei vortici possono essere simili geometricamente, permettendo di ottenere una forma "universale" della zona vorticosa per aperture di dimensioni differenti, applicando un fattore di scala. Il fattore di scala è stato derivato da una relazione che lega la larghezza relativa dell'apertura (h/b) alla forma del vortice.

La forma di base del vortice, scelta per una larghezza relativa di h/b = 1.875, è stata applicata per determinare i contorni numerici e confrontata con esperimenti che confermano la validità dei modelli. La corrispondenza tra i risultati numerici e quelli sperimentali è stata soddisfacente, ma con alcune eccezioni in presenza di aperture con larghezza relativa molto bassa (h/b = 0.2), dove i vortici risultano deformati dall'effetto del muro esposto al flusso ad alta velocità.

Un aspetto interessante riguarda la simulazione del flusso per aperture di scarico con diverse geometrie, tra cui quelle che seguono la forma vorticosa generata dalla rottura del flusso (VZ1) e quella che si forma nell'angolo (VZ2). È emerso che la modellazione della geometria ottimizzata lungo entrambi i vortici ha portato a una riduzione del LDC del 32.35%, rispetto a una riduzione del 29.97% ottenuta modellando solo lungo il vortice VZ1. La riduzione della resistenza, tuttavia, non è stata significativamente maggiore rispetto alla modellazione basata solo su VZ1, indicando che la modellazione simultanea dei due vortici non offre un miglioramento sostanziale.

Infine, la ricerca sulla modellazione della resistenza degli scarichi laterali ha suggerito che la previsione dell'effetto della riduzione della resistenza potrebbe essere basata sui campi di velocità e pressione vicini e all'interno dei vortici generati da parti non modellate in modo ottimale. Questo potrebbe rappresentare una direzione promettente per ottimizzare le geometrie senza dover investigare ogni possibile configurazione di forma in dettaglio, basandosi su principi generali che possano essere applicati a una vasta gamma di geometrie.

Il progresso nella progettazione di aperture di scarico non si limita solo alla geometria dell'apertura, ma abbraccia anche l'analisi dei vortici generati e il loro impatto sul flusso, portando a soluzioni più efficienti in termini di riduzione delle perdite di carico. La simulazione numerica continua a giocare un ruolo fondamentale in questo processo, consentendo una valutazione accurata delle modifiche geometriche e dei loro effetti sul comportamento del flusso all'interno dei condotti.

Come la riduzione della resistenza aerodinamica nelle reti di ventilazione migliora l'efficienza nella rimozione dei contaminanti

La ventilazione gioca un ruolo fondamentale nel mantenimento della qualità dell'aria in ambienti industriali e commerciali. Un aspetto cruciale per l’efficace rimozione dei contaminanti dall’aria è la progettazione dei sistemi di aspirazione, in particolare degli estrattori locali. La riduzione della resistenza aerodinamica nelle reti di ventilazione può incrementare significativamente la portata d'aria in uscita, creando un flusso d'aria con maggiore velocità all'interno dello spettro di aspirazione e, di conseguenza, migliorando l’efficienza nel catturare e rimuovere contaminanti.

I metodi utilizzati per ottimizzare la progettazione di estrattori locali comprendono simulazioni avanzate di dinamiche del flusso d'aria, come il Metodo dei Vortici Discreti (DVM) e la Dinamica dei Fluidi Computazionale (CFD). Tali studi si concentrano su variabili geometriche, come la lunghezza e l’angolo di inclinazione delle flange degli estrattori, che influenzano significativamente l’efficienza del sistema. Le simulazioni, che sono state condotte su diversi modelli di cappe a slot, mostrano come l'angolo di inclinazione della flangia e la sua lunghezza possano modificare la forma e l'intensità del vortice generato, il quale è determinante per la rimozione dei contaminanti.

Le simulazioni, sebbene siano strumenti potenti, devono essere supportate da esperimentazioni pratiche per validare i risultati. Le esperimentazioni su modelli fisici di estrattori locali, condotte in ambienti controllati, offrono dati tangibili che possono confermare l'efficacia delle teorie sviluppate nelle simulazioni. I test sperimentali in cui vengono variate le condizioni di flusso, come la velocità dell'aria e la geometria dell'estrattore, permettono di ottenere misurazioni dirette della capacità di rimozione dei contaminanti, e sono essenziali per affinare ulteriormente i modelli matematici.

Per migliorare ulteriormente l'efficienza del sistema di ventilazione, è importante considerare la progettazione aerodinamica degli estrattori, in particolare l'analisi delle zone di vortice (VZ). Queste aree di flusso separato sono fondamentali per determinare l'efficacia di un estrattore nell’aspirare le particelle contaminanti. Ogni piccolo cambiamento nella geometria dell’estrattore può influenzare in modo significativo il comportamento del flusso e la capacità di cattura.

Inoltre, la configurazione della rete di ventilazione in relazione agli altri componenti del sistema, come le condotte e le griglie, può contribuire alla riduzione della resistenza totale e all’aumento della velocità del flusso. La considerazione del profilo di velocità all'ingresso e la gestione delle perdite di pressione sono essenziali per progettare impianti che non solo siano efficienti nella rimozione dei contaminanti, ma che lo siano anche energeticamente. La progettazione ottimizzata permette di ridurre il consumo energetico e migliorare l’efficienza complessiva del sistema di ventilazione.

In conclusione, la comprensione approfondita delle dinamiche aerodinamiche all'interno delle reti di ventilazione e la corretta progettazione degli estrattori locali sono essenziali per garantire l'efficacia del sistema di ventilazione nel catturare i contaminanti. La combinazione di simulazioni avanzate e validazioni sperimentali permette di ottenere soluzioni ottimali che non solo migliorano la qualità dell'aria, ma contribuiscono anche a ridurre i costi energetici e a promuovere la sicurezza sul luogo di lavoro.

Come la distanza di stabilizzazione e le dimensioni caratteristiche delle zone di vortice (VZ) influenzano il comportamento del flusso nelle cappe di estrazione

Nel caso di spazi illimitati, la distanza di stabilizzazione di una zona di vortice (VZ) è determinata dall'intersezione della dimensione caratteristica VZ con una linea tratteggiata o puntinata che indica una variazione del 5%. Questa distanza è stata calcolata utilizzando i valori della dimensione VZ per varie distanze s, applicando Advanced Grapher per ottenere una curva approssimativa e individuare il punto di intersezione. L'ascissa di questo punto rappresenta la distanza di stabilizzazione della caratteristica VZ.

Il comportamento delle zone di vortice (VZ) nelle cappe di estrazione è influenzato da molteplici variabili, tra cui l'angolo di inclinazione del bordo della cappa e la lunghezza della flangia. Le VZ vengono determinate utilizzando il metodo DVM, e le loro dimensioni caratteristiche vengono calcolate per diversi angoli di inclinazione (α = 0°, 30°, 60°, 90°) e lunghezze della flangia (d = 0,5, 1,5, 2,5, 5,0). In generale, la prima zona di vortice (1VZ) si forma quando il flusso si stacca dal bordo affilato della flangia della cappa, mentre la seconda zona di vortice (2VZ) si manifesta nel punto di attacco della flangia al condotto. Spesso, le linee che descrivono le due zone di vortice sono così ravvicinate che le curve si sovrappongono completamente. In tal caso, una delle curve viene tracciata con una linea tratteggiata. In alcuni casi, la seconda zona di vortice non si forma, come indicato nelle tabelle a fianco delle rappresentazioni delle 2VZ nelle figure. Il simbolo "-" indica che non esiste una seconda zona di vortice per quella particolare configurazione (combinazione di angolo di inclinazione della flangia e distanza al piano), mentre il simbolo "+" segnala che la seconda zona di vortice si forma nel punto di attacco della cappa al condotto.

A distanze ancora più grandi, l'approccio del flusso dal piano cresce e lo spessore della prima zona di vortice diminuisce gradualmente. In alcuni casi, le dimensioni delle zone di vortice, come b e a, si stabilizzano attorno a s ≈ 1, e a distanze superiori a s ≥ 3, l'influenza del piano è ormai irrilevante, con una differenza inferiore al 5% rispetto alla situazione in cui non è presente il piano. La forma della prima zona di vortice viene influenzata significativamente solo a distanze s ≤ 1.

L'analisi delle dimensioni caratteristiche delle zone di vortice mostra che, con l'aumento della distanza s, le dimensioni più significative (a, b, l) della 1VZ diminuiscono, mentre il raggio di aspirazione effettivo (R) aumenta. L'effetto di una cappa di estrazione senza flangia è simile: la dimensione b diminuisce all'aumentare di s. Per cappe corte, la dimensione a diminuisce con l'aumento della distanza s. Tuttavia, per cappe più lunghe, l'aumento dell'angolo di inclinazione e della lunghezza della flangia può causare un comportamento non monotono, con la dimensione a che inizialmente aumenta ma successivamente raggiunge un massimo, a causa della riduzione dell'impatto della cappa sulla velocità di separazione.

Queste osservazioni suggeriscono che la forma e le dimensioni della zona di vortice, inclusi i parametri come l'estensione orizzontale della zona di separazione del flusso e lo spessore della zona di vortice vicino alle pareti del condotto, sono soggette a cambiamenti complessi in funzione della distanza dalla cappa e dell'angolo di inclinazione della flangia. In particolare, la convergenza delle due zone di vortice in un'unica zona diventa significativa quando la distanza s è sufficientemente grande, riducendo l'efficacia della separazione del flusso al bordo della flangia.

Qual è l'effetto del profilo ottimale nella riduzione delle perdite di carico in un raccordo asimmetrico?

L'esperimento volto a determinare la resistenza aerodinamica di un raccordo sagomato è stato eseguito seguendo la procedura descritta in precedenza. Il progetto del raccordo includeva una zona inizialmente non sagomata, nella quale è stato inserito un elemento di forma progettata. Sono stati testati i profili 0.23, 0.511 e 0.86 per valutare l’efficienza della sagomatura. L'inserto era realizzato in polistirene espanso e montato nel raccordo mediante un nastro adesivo in alluminio. Durante ogni misurazione, la tenuta dell’impianto veniva verificata, in particolare durante il cambiamento della posizione del diaframma.

I risultati delle misurazioni sono presentati nella Figura 7.20, dove i simboli denotano i valori misurati e le curve rappresentano le approssimazioni polinomiali quadratiche. I valori di LDC per il profilo “0.511” risultano inferiori rispetto agli altri su gran parte del range di rapporto di portata G/G_BM, confermando la sua "versatilità" e applicabilità per tutte le combinazioni di portata. A titolo di confronto, sono presentati anche i valori di LDC ottenuti numericamente: le linee nere corrispondono al profilo “0.511” (CFD), mentre le aree grigie rappresentano i range in cui si collocano i valori di LDC per tutte le forme testate. Si può osservare che il calcolo numerico fornisce valori di LDC inferiori rispetto a quelli sperimentali, probabilmente a causa di difetti di fabbricazione dell'inserto sagomato, nonché di errori nelle misurazioni.

Il confronto tra i dati numerici ed esperimentali per il profilo “0.511” evidenzia una discrepanza nelle riduzioni di LDC, con i dati sperimentali che suggeriscono un effetto minore rispetto alla simulazione al computer. Tuttavia, anche in presenza di difetti di fabbricazione e errori di misura, i dati confermano la riduzione delle perdite di carico lungo tutto il range di G/G_BM, con il profilo “0.511” risultante essere il design più energeticamente efficiente. Le linee corrispondenti a questo profilo sono sempre al di sotto delle altre forme studiate, per la maggior parte del range di G/G_BM.

Un altro aspetto rilevante riguarda le zone di influenza (IZ) nel raccordo sagomato con il profilo ottimale “0.511”. Sono state determinate tre zone di influenza: a monte del ramo laterale l/b, nel tratto rettilineo l/b, e a valle, nella confluenza della direzione del condotto principale l/b. Queste zone sono state identificate utilizzando il procedimento descritto nella Sezione 2.2.6. Per ottenere misurazioni più precise, è stato scelto un passo più piccolo per iterare le sezioni trasversali durante la determinazione dei valori medi di pressione totale. I risultati, riportati in Tabella 7.9 e Figure 7.23, mostrano che la lunghezza delle zone di influenza varia in modo complesso con il rapporto di portata G/G_BM. In particolare, la lunghezza dell’IZ a valle del raccordo aumenta da 2.5b a circa 6.5 ÷ 7b quando G/G_BM cresce da 0.1 a 0.9.

Infine, un altro aspetto interessante riguarda la zona di vortice secondario che può formarsi a valle di un raccordo sagomato. Nonostante la sagomatura non elimini completamente le zone di vortice, si forma una zona di vortice secondario le cui dimensioni dipendono dal rapporto di portata G/G_BM. La sua grandezza rimane comunque ridotta, come mostrato nella Figura 7.24. La sagomatura lungo questa zona di vortice non porta a significativi miglioramenti, indicando che la sua efficacia è limitata.

In sintesi, l'adozione di un profilo ottimale nel raccordo “0.511” si traduce in una significativa riduzione delle perdite di carico per la maggior parte delle combinazioni di portata, ma non senza limitazioni dovute a imperfezioni nella fabbricazione e negli errori di misura. Le zone di influenza e la gestione delle zone di vortice sono elementi cruciali nel miglioramento dell'efficienza energetica nei sistemi di ventilazione.