Hoe worden drukverliezen en vortexzones in ventilatienetwerken beïnvloed door de vorm van de elementen?

In bestaande technieken om stromingsweerstand te reduceren, wordt meestal een van twee benaderingen gehanteerd: ofwel worden de dimensies van systemen en elementen vergroot (bijvoorbeeld door afronding van scherpe hoeken), ofwel worden complexe technische oplossingen toegepast die moeilijk te implementeren zijn. Binnen ventilatienetwerken kunnen de elementen worden onderverdeeld in twee hoofdgroepen op basis van het gedrag van vortexzones (VZ) en de karakteristieken van hun geometrische vorm: elementen waarbij stromingen worden gesplitst of samengevoegd, en elementen waarbij dit niet het geval is.

Voor de eerste groep – de elementen waarin stromingsconvergentie of divergentie plaatsvindt – zijn typische voorbeelden de asymmetrische T-stukken voor afvoer en centrale afzuigopeningen. In deze configuraties ontstaan VZ’s als gevolg van abrupte veranderingen in de stroomsnelheid en richting, wat leidt tot scheidingsstromen, wervelvorming en secundaire stromingsstructuren die bijdragen aan drukverliezen. De vorm van de instroomhoeken, de symmetrie van het ontwerp en de verhouding van de inlaat- en uitlaatsecties zijn bepalend voor de mate waarin deze vortexzones zich ontwikkelen en stabiel blijven.

Een diepgaand begrip van het gedrag van de VZ’s in deze context vereist nauwkeurige numerieke modellering of experimentele benaderingen, waarbij factoren zoals Reynoldsgetal, turbulente viscositeit, stromingscompressibiliteit en geometrische asymmetrieën moeten worden meegenomen. In veel gevallen blijkt dat eenvoudige wijzigingen in vorm – zoals het aanbrengen van een afronding aan een interne hoek of het introduceren van een geleidingsplaat – reeds significante verbeteringen kunnen geven in de verdeling van druk en snelheidsvelden. Niettemin blijven deze ingrepen beperkt zonder een systemische optimalisatie van het hele ventilatienetwerk.

Wat is de invloed van het ontwerp van de uitlaatopening op de luchtweerstand in ventilatiesystemen?

De invloed van de dode eindmaten op de luchtweerstand in ventilatiekanalen is een onderwerp van belangrijk belang bij het ontwerpen van efficiënte ventilatiesystemen. In dit onderzoek is gekeken naar de impact van de grootte van het dode eind (s/b) op de weerstand die de opening aan de luchtstroom biedt. Dit werd geanalyseerd voor verschillende maten van de opening, waarbij s de lengte van het dode eind en b de breedte van de opening is. De resultaten tonen aan dat grotere dode eindmaten een afname in de LDC (luchtweerstandcoëfficiënt) veroorzaken, maar de totale impact van de dode eindmaten bleek te verwaarlozen – de verandering in LDC was slechts 3% bij variërende s/b van 0,2 naar 0,8. Dit suggereert dat de invloed van het dode eind niet verder werd onderzocht.

In vervolgonderzoek werd de vormgeving van de uitlaatopening geanalyseerd, waarbij gebruik werd gemaakt van de VZ-contouren die eerder numeriek waren bepaald. De numerieke modellen van de energie-efficiënte ontwerpen van de uitlaatopening werden geconstrueerd op basis van deze VZ-contouren. In deze simulatie werd een dikkere mesh gebruikt voor het gebied rond de VZ-contouren om de geometrie beter weer te geven, wat essentieel was voor de nauwkeurigheid van de simulatie. Het effect van verschillende VZ-vormen werd onderzocht voor de opening met h/b = 1,875, waarbij de vormgeving langs verschillende VZ-contouren werd getest. De resultaten gaven aan dat de vormgeving langs de VZ1-contour leidde tot een significante vermindering van de luchtweerstand (LDC), terwijl de vormgeving langs de VZ2-contour slechts een geringe vermindering veroorzaakte. Het combineren van beide contouren resulteerde weliswaar in een verbetering, maar deze was slechts 3% hoger dan de verbetering door alleen VZ1. Dit wijst erop dat het combineren van beide VZ-contouren niet noodzakelijk een significante winst oplevert.

Het gebruik van numerieke simulaties in combinatie met experimentele validatie van LDC-waarden voor zowel onbewerkte als bewerkte ontwerpen heeft waardevolle inzichten opgeleverd. Het experiment met een geoptimaliseerde opening toonde een LDC-waarde die nauw overeenkwam met de numerieke resultaten. Dit biedt een solide basis voor de toepassing van numerieke modellen in het ontwerp van energie-efficiënte ventilatiesystemen.

Hoe kunnen we luchtweerstand in luchtkanaalaansluitingen optimaliseren?

Het verminderen van luchtweerstand in ventilatiesystemen, specifiek bij de aansluiting van luchtkanalen, speelt een cruciale rol in de efficiëntie van het systeem. Bij het ontwerp van duct fittingonderdelen, zoals de asymmetrische en symmetrische T-stukken, is het van belang om stromingsverlies te minimaliseren. De toepassing van afscheidingen is een veelgebruikte techniek om te voorkomen dat inkomende stromingen direct botsen met doorvoerstromen. Zo kan het gebruik van een partitionering in een symmetrisch gelijkzijdig T-stuk de luchtweerstand met maar liefst 80% verminderen (Idel’chik 1992). Deze partitionering is echter niet altijd even effectief in andere ontwerpen, zoals bij asymmetrische T-stukken, waar de vermindering van de weerstand afhankelijk is van de verhouding tussen de debieten van de hoofdluchtstroom en de aftakking, wat resulteert in variabele verminderingen van 4% tot 62% (Gao et al. 2018b).

Daarom is het van essentieel belang dat het toegepaste ontwerpproces ook haalbaar is in numerieke en experimentele zin. Bij numerieke simulaties is het valideren van de verkregen resultaten een cruciaal proces. Dit houdt in dat er betrouwbare en verantwoorde gegevens nodig zijn om de bevindingen van numerieke studies te onderbouwen. In de praktijk bestaat een belangrijke uitdaging uit het vinden van de juiste geometrie die het scheidingspunt in de luchtstroom verder naar achteren kan verplaatsen, wat zou leiden tot een kleinere vortexzone (VZ) en dus tot minder weerstand.

Het optimaliseren van de geometrie van ventilatieonderdelen door middel van numerieke simulaties, en de zogenaamde 'topologische optimalisatie', is een relatief nieuwe richting binnen de luchtkanaaltechniek. Bij topologische optimalisatie worden geautomatiseerde technieken gebruikt om de optimale geometrie van een onderdeel te vinden, waarbij numerieke simulaties samen met optimalisatiemodules worden uitgevoerd om bijvoorbeeld de drukval of vortexzone te minimaliseren. Het resultaat is een dramatische vermindering van de luchtweerstand, tot wel 30–40%, zoals aangegeven door Stephan et al. (2009). Dit proces maakt gebruik van geavanceerde software die vaak in talen zoals C++ en Fortran is geschreven. Desondanks is de praktische toepassing ervan beperkt, vooral vanwege de complexe geometrieën van de geoptimaliseerde onderdelen, die alleen via geavanceerde productietechnieken zoals 3D-printen kunnen worden vervaardigd.

Hoewel topologische optimalisatie veelbelovend is, komt het voornamelijk tot zijn recht bij ontwerpen waar de ruimte extreem beperkt is en de kosten van het systeem hoog zijn, zoals in de luchtvaart, de automobielindustrie en high-end medische apparatuur. De bredere toepassing van deze technologie zal afhangen van de verdere ontwikkeling van softwaretools en het verbeteren van de gebruiksvriendelijkheid van de interfaces.

Een andere benadering binnen de luchtstromingsoptimalisatie is de visualisatie van stromingsstructuren, ook wel flow structure technologies (FST) genoemd. Deze benadering maakt gebruik van experimenten waarbij stromingspatronen visueel worden geanalyseerd om het ontwerp van luchtkanalen verder te verbeteren. Het doel is om de stroom door onderdelen van bijvoorbeeld gasturbines te optimaliseren, maar net als bij topologische optimalisatie resulteren de verbeterde ontwerpen vaak in zeer complexe geometrieën, die moeilijk reproduceerbaar zijn voor andere onderdelen.

In de toekomst zou een verdere optimalisatie van de luchtstroming en de geometrie van luchtkanaalonderdelen kunnen bijdragen aan een drastische verbetering van de efficiëntie van ventilatiesystemen, vooral in omgevingen waar de ruimte beperkt is en het kostenplaatje hoog is, zoals in de luchtvaart en de automotive industrie. Echter, de technische uitdagingen en de complexiteit van de benodigde software blijven belangrijke obstakels voor een bredere toepassing van deze technieken.

Hoe beïnvloeden de aspectverhoudingen van rechthoekige kanalen de vorm van de afscheidingszones in ventilatiesystemen?

De grenzen van de VZ (afscheidingszones) voor kanalen met de aspectverhoudingen B/A = 1, 2, 4, 6 worden weergegeven in Figuur 6.8 tot 6.11, in projecties op verschillende vlakken (Figuur 6.8–6.11a) en in longitudinale en transversale doorsneden (Figuur 6.8–6.11b). De longitudinale doorsneden zijn parallel aan het XY-vlak, terwijl de transversale doorsneden parallel lopen aan het ZY-vlak. Om de omtrekken van de VZ in vergelijkbare doorsneden te kunnen vergelijken, zijn voor alle gevallen van B/A de doorsneden weergegeven, beginnend vanaf de kanaal-as en naar de wand op afstanden gelijk aan 1, 0.8, 0.6, 0.4, 0.2 en 0 van de overeenkomstige kanaalhelft – voor longitudinale doorsneden is dit A, en voor dwarsdoorsneden is dit B. Aangezien de longitudinale doorsneden voor alle B/A-verhoudingen op dezelfde afstand liggen, worden ze alleen getoond voor de geval A = B (Figuur 6.8a), terwijl de dwarsdoorsneden voor alle B/A-verhoudingen worden weergegeven.

Bij het vergelijken van de vrije oppervlakken van de stroom in verschillende verhoudingen van de hoogte en breedte van het rechthoekige uitlaatkanaal valt een regelmaat op. Het stroomoppervlak dat loskomt van de zijwand van het rechthoekige uitlaatkanaal (in longitudinale doorsneden, Figuur 6.12a) verandert praktisch niet bij een toename van de uitlaatbreedte. Alleen de positie van de stroomlijn die vanuit de hoek komt, verandert licht (Z/A = 1). Het afscheidingsstroomoppervlak dat zich vormt op de bovenste of onderste wand van het uitlaatkanaal (in dwarsdoorsneden, Figuur 6.12b), daarentegen, hangt sterk af van de breedte, met uitzondering van de lijn die vanuit de hoek komt (X/B = 1).

Bij het vergelijken van de resultaten voor een vierkant kanaal met B/A = 1 blijkt dat de vorm aanzienlijk verschilt, wat wijst op een sterke invloed van de wanden op de stroming, zelfs dicht bij de kanaalas. De snelheidvelden en VZ's die zijn vastgesteld door de DVM (discrete vortex-methode) komen overeen met eerder bekende gegevens en maken een gedetailleerdere karakterisering van de afscheidingsstromen in vierkante uitlaten mogelijk.

Naast de vorm van de VZ’s en de invloed van de kanaalverhoudingen, is het belangrijk te begrijpen hoe deze scheidingen de effectiviteit van ventilatiesystemen beïnvloeden. Wanneer de breedte van het kanaal toeneemt, verschuift de verhouding van de stromingen die zich scheiden van de wanden, wat van invloed is op de algehele luchtcirculatie. De energiebehoefte van het ventilatiesysteem kan hiermee veranderen, wat op zijn beurt invloed heeft op de operationele kosten. Het is belangrijk te realiseren dat de dynamiek van de afscheidingsstromen niet alleen afhankelijk is van de geometrie van het kanaal, maar ook van de specifieke technologische eisen en beperkingen van de ruimte waarin het ventilatiesysteem wordt toegepast. In de praktijk kan de afstemming van de kanaaldimensies en de positionering van de uitlaat het verschil maken tussen een efficiënte en ineffectieve werking van het ventilatiesysteem.

Hoe kan ventilatiesystemen in nagelsalons de gezondheid van werknemers en klanten beschermen?

In nagelsalons worden verschillende potentieel schadelijke stoffen gegenereerd, zoals stof, dampen en vluchtige organische stoffen (VOS), die schadelijk kunnen zijn voor de gezondheid van zowel werknemers als klanten. De concentratie van deze verontreinigende stoffen hangt sterk af van het type werk dat wordt uitgevoerd, de gebruikte producten, en de ventilatiesystemen die in de salons aanwezig zijn. De technologie achter ventilatiesystemen in dergelijke omgevingen is dus van essentieel belang voor het minimaliseren van gezondheidsrisico's.

Onderzoek heeft aangetoond dat de blootstelling aan stofdeeltjes in nagelsalons, vooral tijdens manicure- en pedicurebehandelingen, de gezondheid kan beïnvloeden, variërend van ademhalingsproblemen tot ernstigere longziekten bij langdurige blootstelling. Deze deeltjes kunnen de luchtwegen irriteren, terwijl chemische dampen zoals formaldehyde, die vaak in nagellakken en andere cosmetische producten worden aangetroffen, kankerverwekkend kunnen zijn. De juiste ventilatie speelt hierbij een cruciale rol.

Het gebruik van lokale afzuigsystemen is een van de meest effectieve methoden om schadelijke dampen en stofdeeltjes te verwijderen. Deze systemen zorgen ervoor dat de lucht direct bij de bron van vervuiling wordt afgevoerd, waardoor de algehele luchtkwaliteit in de salon verbetert. Er zijn verschillende ontwerpen van ventilatiesystemen die specifiek gericht zijn op het afzuigen van deeltjes en dampen in nagelsalons. Een voorbeeld hiervan is een geavanceerd vacuümsysteem dat direct bij de werkplek van de nageltechnicus lucht afzuigt, waardoor de concentratie van schadelijke stoffen in de omgeving drastisch wordt verlaagd.

In veel gevallen is het noodzakelijk om de ventilatiesystemen regelmatig te onderhouden en de luchtkwaliteit te controleren. Studies tonen aan dat zelfs het gebruik van een goed ontworpen systeem niet effectief zal zijn zonder regelmatige inspecties en het vervangen van filters of andere componenten. Bovendien wordt aanbevolen om het systeem af te stemmen op de specifieke omstandigheden van de salon, zoals het aantal werkstations, de grootte van de ruimte en het type behandelingen dat wordt uitgevoerd.

Naast het technische aspect van ventilatie, moeten de medewerkers in nagelsalons ook bewust zijn van de gevaren van de stoffen waarmee zij werken. Adequate training in het gebruik van persoonlijke beschermingsmiddelen, zoals ademhalingsmaskers en handschoenen, kan de blootstelling aan schadelijke stoffen verder verminderen. Toch blijft ventilatie de sleutel tot het creëren van een gezonde werkomgeving. Het ontbreken van een goed werkend ventilatiesysteem kan de risico’s op gezondheidsproblemen aanzienlijk verhogen, wat niet alleen de werknemers, maar ook de klanten in gevaar brengt.

Wat belangrijk is om te begrijpen, is dat ventilatie in nagelsalons niet alleen een kwestie is van comfort, maar van gezondheid en veiligheid. Het toepassen van moderne ventilatietechnologieën kan de blootstelling aan schadelijke stoffen verminderen, maar alleen als de systemen goed worden ontworpen, geïnstalleerd en onderhouden. Het bewustzijn van de risico’s die verbonden zijn aan de werkomgeving in nagelsalons moet verder worden vergroot, en er moeten strengere normen en voorschriften komen voor de luchtkwaliteit in dergelijke omgevingen. Het is niet voldoende om alleen te vertrouwen op de technologische vooruitgangen in ventilatie; de integratie van een alomvattend gezondheids- en veiligheidsplan is essentieel voor het beschermen van de mensen die in deze sector werken.