Come la Geometria e il Flusso Influiscono sulla Separazione del Getto nelle Condotte di Ventilazione

L'esperimento descritto si basa sull'analisi di un generatore di nebbia che, posto su una barra, viene inserito nel flusso d'aria per studiarne il comportamento. Il sistema è alimentato da una fonte di energia a 12 V DC, ed è stato progettato per riscaldare un filo (lungo circa 25 cm), sufficientemente caldo da evaporare la glicerina, creando così una nebbia visibile all'interno del flusso.

Il processo sperimentale prevede che, una volta che la ventola del sistema raggiunga una velocità costante (circa un minuto dopo l'attivazione), venga applicata una tensione al generatore di nebbia. Quest'ultimo viene introdotto nel flusso mediante una barra e, successivamente, si registra la visualizzazione attraverso una videocamera. La parete posteriore della condotta, situata di fronte al vetro di osservazione, è stata dipinta di nero per migliorare la visibilità.

L'analisi del video, frame per frame, ha permesso di individuare i momenti in cui il flusso separava, evidenziando il getto libero (o VZ, zone di separazione del flusso) che si staccava dall'apertura di scarico. Questo comportamento è stato osservato mentre il generatore di nebbia veniva riposizionato all'interno della condotta per ottenere la migliore visualizzazione. L’esperimento ha anche rivelato un debole legame tra i contorni del VZ e la profondità della condotta, che si manifestava principalmente nelle vicinanze delle pareti (anteriore e posteriore) della condotta.

Tali risultati sono stati confermati attraverso un’analisi tridimensionale del VZ, confermando l'importanza di considerare la geometria della condotta e la posizione dell'apertura di scarico per ottimizzare la separazione del flusso.

Per studiare il fenomeno, è stato adottato un modello numerico che simula un flusso in un'apertura laterale non modellata, utilizzando il pre-processore Gambit. La mesh della condotta è composta da celle rettangolari con dimensioni iniziali di 3,17–3,33 cm. Il modello considera vari parametri, tra cui la larghezza della condotta (0,1 m) e l’altezza dell’apertura laterale (h = 0,032 m). Vengono anche applicate condizioni al contorno, come una portata costante di 1 kg/s e un modello di turbolenza k–ε standard o modello RSM (Reynolds Stress Model).

Il calcolo dei coefficienti di resistenza locale diventa cruciale per determinare l'efficienza del flusso nell’apertura laterale e il comportamento generale del sistema di ventilazione. Il miglioramento del design delle aperture laterali, infatti, ha un impatto diretto sulla riduzione della resistenza al flusso, ottimizzando così l’efficienza energetica del sistema di ventilazione.

La relazione tra la geometria della condotta e le caratteristiche del flusso è evidente. Le variazioni nei parametri della condotta, come la forma e le dimensioni dell'apertura laterale, influenzano significativamente la distribuzione e la separazione del flusso. Questi fattori devono essere considerati attentamente per progettare sistemi di ventilazione più efficienti, soprattutto quando si tratta di ridurre la resistenza idraulica e ottimizzare il flusso d'aria.

In sintesi, l’esperimento evidenzia come la forma e la posizione delle aperture, la profondità della condotta e la distribuzione della velocità del flusso influenzino la separazione del flusso stesso. Inoltre, il miglioramento della modellazione numerica e il rafforzamento delle pratiche di simulazione possono contribuire in modo significativo a ottimizzare le prestazioni dei sistemi di ventilazione, riducendo i consumi energetici e migliorando l'efficienza complessiva.

Come Ridurre la Resistenza al Flusso nelle Aperture dei Condotti di Scarico: Analisi e Metodologie

I dati sperimentali mostrano che, pur essendo l’apertura sagomata più efficiente rispetto a quella non sagomata, la riduzione della resistenza è più pronunciata nelle aperture più piccole e tende a diminuire man mano che le dimensioni dell’apertura aumentano. Ad esempio, la riduzione della resistenza può raggiungere un massimo del 30% per aperture di dimensioni più contenute, ma questa efficienza diminuisce a circa il 23% per aperture più grandi. La configurazione ideale dipende quindi dalla specifica applicazione e dalle caratteristiche del flusso attraverso l'apertura. L'efficacia della sagomatura dipende non solo dalle dimensioni, ma anche dalla geometria dell’apertura e dalle caratteristiche del flusso che essa indirizza.

Un altro aspetto cruciale da considerare riguarda l’analisi dei flussi separati nelle aperture di scarico. La ricerca condotta sull’efficacia di cappe di scarico rotonde in diverse configurazioni evidenzia come la variazione nelle dimensioni delle flange e nell’angolo di inclinazione influenzi significativamente l’efficienza del sistema. Utilizzando modelli matematici discreti basati su vortici, è stato possibile ottenere una visione dettagliata dei flussi separati e delle dinamiche di pressione, che hanno rivelato un impatto significativo sulla resistenza del flusso attraverso l’apertura.

Nel contesto delle simulazioni numeriche, l’utilizzo di software come Ansys Fluent ha permesso di risolvere le problematiche relative ai flussi assiali. La griglia di calcolo non strutturata, caratterizzata da celle di dimensioni variabili, è stata affinata in modo progressivo fino a ottenere una precisione sufficiente a risolvere in modo accurato la dinamica del flusso. Questo processo di raffinamento della mesh è essenziale per simulare correttamente il comportamento del flusso vicino alle pareti del condotto e della cappa di scarico, dove la variazione delle velocità è più significativa.

Importante è anche l’adozione di modelli di turbolenza come il modello k-ε standard e il modello di Stress di Reynolds (RSM), che permettono di simulare in modo realistico le interazioni turbolente nel flusso. I risultati numerici ottenuti da queste simulazioni sono stati confrontati con i dati sperimentali, permettendo una validazione accurata del modello matematico e una stima più precisa delle perdite di carico in base alle condizioni specifiche di ogni impianto.

Oltre ai dati numerici e sperimentali, un aspetto spesso trascurato riguarda l’efficienza energetica complessiva del sistema. La progettazione ottimale dell'apertura di scarico non solo riduce la resistenza al flusso, ma ha anche un impatto diretto sul consumo energetico del sistema di ventilazione. La riduzione della perdita di carico implica una minor richiesta di potenza per il motore di ventilazione, contribuendo così a una gestione energetica più efficiente e a una riduzione dei costi operativi.

Come un Insert Shaping Riduce il Consumo Energetico nelle Ventilazioni: Un'Analisi Sperimentale

L'esperimento descritto ha esaminato l'impatto di un insert shaping sulla riduzione del consumo energetico in un sistema di ventilazione con un'apertura di scarico rotonda. Il sistema utilizzato per il test impiegava un ventilatore assiale (Vents VK100) per l'espulsione dell'aria, con la potenza misurata tramite un wattmetro (WM). La portata dell'aria espulsa veniva regolata variando la tensione fornita al ventilatore con un dimmer (D), mentre la pressione statica e totale venivano determinate a 1,01 metri di distanza tramite una sonda pneumometrica e un micromanometro Testo 521.3.

L'esperimento è stato condotto per un tubo rettilineo senza inserti (condizione base), con un insert shaping a potenza massima, e con lo stesso insert shaping ma con potenza ridotta. Dai risultati è emerso che l'uso dell'insert shaping comporta una riduzione della pressione statica, che equivale a una diminuzione della perdita di pressione del 13%, e un aumento della pressione dinamica, indicante una maggiore portata d'aria (9%). Di conseguenza, la riduzione del LDC (Local Drag Coefficient) è stata pari al 64,7%. Quando si riduceva la tensione al ventilatore tramite il dimmer, il consumo di potenza diminuiva di circa il 13,2%. Tuttavia, una volta che la configurazione si avvicinava al flusso di progetto, la riduzione della potenza diventava più contenuta, con una stima del 7%.

Questa analisi ha dimostrato che l'inserimento di un elemento di shaping nei sistemi di ventilazione consente di ottenere una significativa riduzione del consumo energetico, soprattutto quando il sistema viene regolato per operare a flussi d'aria di progetto. Il calcolo di LDC è stato implementato in un software online che permette di calcolare il coefficiente di drag in tempo reale, utile per progettisti e tecnici nel campo della ventilazione.

L'ulteriore studio dei flussi separati verso le cappe di scarico rotonde ha portato ad altre considerazioni fondamentali. Un esperimento successivo ha coinvolto l'analisi delle perdite di pressione in una cappa di scarico migliorata, progettata seguendo le linee di separazione dei flussi dei VZ (Vortex Zones), come definito numericamente da Logachev et al. (2018b, 2019). Utilizzando modelli 3D creati tramite AutoCAD e stampati in 3D, sono stati prodotti inserti in plastica ABS di dimensioni reali, successivamente rifiniti per eliminare la texture ruvida tipica delle stampanti 3D. L'analisi delle perdite di pressione ha mostrato come un insert shaping posizionato correttamente possa eliminare praticamente la zona di separazione del flusso, riducendo così notevolmente le perdite di pressione rispetto a una cappa di scarico priva di inserti.

In sintesi, l'efficienza energetica in sistemi di ventilazione può essere notevolmente migliorata attraverso l'uso di inserti shaping, che ottimizzano il flusso d'aria e riducono le perdite di pressione. L'analisi dei flussi separati e l'implementazione di queste tecnologie nel design di cappe di scarico rappresentano un passo importante verso sistemi di ventilazione più sostenibili e a minor consumo energetico.

Studio delle Correnti Separati verso Cappa di Scarico Fessurata

La progettazione e l'analisi delle cappe di scarico fessurate e la comprensione dei flussi d'aria che le attraversano è di fondamentale importanza per ottimizzare l'efficienza del sistema di ventilazione. Un aspetto cruciale in questa analisi è lo studio della Vortex Zone (VZ), un'area in cui i flussi d'aria subiscono una separazione e creano vortici che possono influenzare la performance della cappa. La caratterizzazione di queste zone e l’analisi dei parametri che ne determinano le dimensioni e il comportamento sono essenziali per migliorare la progettazione delle cappe.

L'importanza di queste osservazioni risiede nel fatto che la formazione dei vortici è direttamente collegata alla resistenza all'aria (drag) e all'efficienza nel catturare e deviare i flussi d'aria. Un'analisi approfondita dei coefficienti che determinano la VZ può portare a soluzioni progettuali che riducono la resistenza e migliorano l’efficienza del sistema di ventilazione. I parametri critici, come la lunghezza della flangia e l'angolo di inclinazione, influenzano non solo la dimensione della VZ, ma anche il comportamento del flusso in relazione alla geometria della cappa.

Le simulazioni mostrano che la separazione del flusso e la formazione della seconda VZ sono altrettanto rilevanti, poiché questa zona, rispetto alla prima, tende a provocare una perdita di pressione maggiore a causa delle velocità superiori. Le diverse configurazioni della flangia e l'inclinazione possono alterare significativamente l'effetto della seconda VZ, con un evidente aumento della sua dimensione man mano che l’angolo di inclinazione cresce. Questo aspetto è fondamentale per ottimizzare la geometria della cappa in relazione alla riduzione della resistenza aerodinamica e migliorare il flusso d'aria attraverso il sistema.

L'analisi del drag, derivante dai calcoli numerici, evidenzia che i coefficienti di resistenza per le cappe fessurate seguono una relazione ben definita in funzione della lunghezza della flangia e dell'angolo di inclinazione. Le curve di dipendenza per il LDC (coefficiente di resistenza) mostrano che, a valori di angolo più alti, la relazione con la lunghezza della flangia diventa meno pronunciata rispetto alle cappe rotonde. Questo fenomeno è particolarmente significativo, poiché implica che la progettazione delle cappe fessurate può portare a miglioramenti sostanziali in termini di efficienza aerodinamica rispetto alle soluzioni tradizionali.

Tuttavia, è importante osservare che il comportamento del flusso d'aria nel tratto prima dell’apertura di scarico cambia sensibilmente a seconda del tipo di sagomatura applicata. Nelle configurazioni di shaping senza restringimento, la velocità d'ingresso aumenta notevolmente nella sezione più stretta del condotto, un aspetto che potrebbe influenzare la performance del sistema di ventilazione in relazione alle esigenze specifiche dell'ambiente in cui la cappa è installata. Le simulazioni CFD hanno dimostrato che i flussi d'aria nelle cappe sagomate correttamente non solo migliorano la portata, ma anche la distribuzione della velocità, creando condizioni più favorevoli per il processo di estrazione dell'aria.

Un altro punto importante riguarda il controllo preciso dei flussi aerodinamici attraverso la simulazione numerica. La determinazione dei contorni della VZ, ottenuti sia tramite DVM che CFD, consente di analizzare come piccole modifiche nella geometria della cappa possano influenzare in modo significativo le prestazioni generali. La conoscenza di queste dinamiche permette di progettare cappe di scarico più efficienti, riducendo le perdite di pressione e ottimizzando il consumo energetico.

In sintesi, per progettare cappe di scarico fessurate più efficienti, è fondamentale un approfondito studio delle dimensioni e delle caratteristiche delle VZ, con l’impiego di simulazioni numeriche avanzate come DVM e CFD. La comprensione delle dinamiche del flusso, associata a una modellazione accurata della geometria della cappa, consente di ottenere sistemi di ventilazione che non solo riducono la resistenza aerodinamica, ma migliorano anche la distribuzione del flusso e l’efficacia complessiva del sistema.

Come la Forma delle Cappe di Aspirazione Influenza l'Efficienza nella Cattura della Polvere e l'Airflow

L'efficienza della cattura della polvere dipende da una serie di fattori, tra cui la velocità del flusso d'aria che entra nella cappa e la sua configurazione. Quando la velocità terminale delle particelle di polvere supera i 5 m/s, la distanza di cattura rimane quasi invariata, intorno a un rapporto di h/R = 10. Tuttavia, questa stabilità si manifesta solo quando le particelle hanno una dimensione maggiore, in quanto la loro inerzia consente loro di essere catturate anche a distanze superiori rispetto alle particelle più piccole, che tendono a essere più influenzate dalle variazioni di velocità del flusso d'aria.

Un aspetto interessante da considerare riguarda l'effetto della forma della cappa sulla distribuzione del flusso d'aria e sulla cattura delle particelle di polvere. Le linee di flusso intorno a una cappa circolare modellata non si differenziano sostanzialmente da quelle di una cappa non modellata, tranne che per il punto di ingresso: la restrizione del flusso che si verifica in assenza di modellazione della cappa è significativa, ma questa non si ripercuote drasticamente sulle prestazioni a distanza maggiore dal punto di ingresso. Quando la distanza dal punto di ingresso è superiore al doppio del raggio della cappa, la differenza tra la distribuzione della velocità per le cappe modellate e non modellate diventa insignificante, tanto che le curve di cattura delle particelle per entrambe le configurazioni quasi si sovrappongono.

L'uso di cappe modellate, come quelle mostrate in alcune illustrazioni, può contribuire a ridurre il rumore e ad eliminare la ripetuta espulsione di polvere fine attraverso le zone di vortice, ottimizzando così il processo di cattura della polvere. Questo approccio non solo migliora l'efficienza del sistema di ventilazione, ma riduce anche la caduta di pressione all'interno della cappa, aumentando ulteriormente la sua capacità di cattura. Inoltre, la progettazione accurata della cappa, con l'inserimento di forme specifiche, può contribuire a un flusso d'aria più uniforme e ad una riduzione dei problemi associati a un vortice di flusso mal gestito.

L'efficienza della ventilazione locale non dipende solo dalla forma della cappa, ma anche dalla sua collocazione strategica e dalle condizioni ambientali specifiche. Una cappa ben progettata deve rispondere in modo ottimale alle caratteristiche del flusso d'aria e alla distribuzione delle particelle di polvere. È essenziale che, nella progettazione di un sistema di ventilazione per ambienti come quelli dei saloni di bellezza, si considerino attentamente le specifiche necessità di cattura delle polveri in base alla tipologia di lavoro svolto e ai materiali utilizzati.