Hoe de Vorming van Vortexzones (VZ) de Efficiëntie van Afzuigkapontwerpen Beïnvloedt: CFD vs. DVM

De vormgeving van afzuigkappen speelt een cruciale rol in het verbeteren van de luchtstroom en het verminderen van vortexvorming (VZ) in ventilatiesystemen. Het doel van dit proces is om de vortexzones te minimaliseren, die vaak leiden tot verlies van luchtstroom en inefficiëntie van het systeem. Deze studie onderzoekt hoe verschillende vormstrategieën, bepaald door Computational Fluid Dynamics (CFD) en Discrete Vortex Method (DVM), de luchtstroomgedrag en de effectiviteit van de afzuigkap beïnvloeden.

In de numerieke simulaties werd de mesh verfijnd langs de solide grenzen om ervoor te zorgen dat de mesh de grenslagen correct weergeeft. Dit werd gemeten in termen van een dimensionless hoeveelheid, y+, die het effect van meshverfijning op de Luchtstroom-Dynamische Coëfficiënt (LDC) weergeeft. De meshconvergentie werd getest door de LDC-waarden te volgen bij verschillende meshverfijningsniveaus voor afzuigkappen met verschillende geometrieën en een flenshellingshoek van 90° en lengte van 1R.

Bij de studie werden verschillende modellen geconstrueerd, waaronder modellen die de VZ-randen gebruikten die werden bepaald via CFD (figuur 4.25a) en DVM (figuur 4.25b). De resultaten gaven aan dat de vormgeving langs de VZ-rand, zoals bepaald door DVM, resulteerde in een vloeiender stroom zonder afscheiding, terwijl CFD-gebaseerde vormen secundaire vortexzones (VZ) veroorzaakten, die kleiner waren dan de eerste, maar nog steeds invloed hadden op de luchtstroom.

Het effect van de vorming langs de eerste VZ was significant, waarbij de LDC met 16% afnam (van 0.50 naar 0.42) bij gebruik van CFD en met 18% (naar 0.409) bij gebruik van DVM. Wanneer de vorming langs de tweede VZ werd toegepast, bepaald door CFD, nam de LDC af met maar liefst 48% tot 0.262. Dit duidt op het feit dat de invloed van de tweede VZ groter is dan die van de eerste, waarschijnlijk vanwege hogere luchtstroomsnelheden in dat gebied.

Wanneer zowel de eerste als tweede VZ-randen werden gebruikt voor de vormgeving, resulteerde dit in een nog grotere vermindering van de LDC, met een afname van 53% tot 0.237. Verdere verfijning van de vorm langs secundaire VZ's kon de LDC verder verlagen tot 62% (0.162). De invloed van de vorming werd verder versterkt door het verlichten van de stromingsbeperkingen in de buis, wat leidde tot een drastische daling van de LDC tot 0.022 wanneer de vorming werd uitgevoerd langs de VZ’s bepaald door DVM.

De keuze voor DVM-gebaseerde vorming kan echter niet in alle gevallen de voorkeur hebben, omdat de secundaire VZ in sommige ontwerpen niet altijd volledig kan worden gedefinieerd, wat leidt tot een moeilijker te beheersen stromingsgedrag. Dit is vooral relevant voor ontwerpen waarbij de afmetingen van de afzuigkap niet cruciaal zijn, zoals in het geval van ‘gebroken’ of verplaatste vormen. In deze gevallen is het mogelijk om de vortexen te beheersen door de vorm van de afzuigkap te wijzigen, zelfs als dit resulteert in grotere afmetingen van de kap.

Naast de geometrie van de afzuigkap is het ook belangrijk om te begrijpen hoe de luchtsnelheden en de relatieve snelheden binnen de vortexzones zich gedragen. Afhankelijk van de plaatsing van de vortex, kan de snelheid in de afzuigkap aanzienlijk variëren. In sommige gevallen, bijvoorbeeld wanneer de afzuigkap ‘gebroken’ is, kunnen hogere relatieve snelheden in de afzuigkap worden bereikt, wat resulteert in een betere efficiëntie in het vangen van verontreinigingen. Dit kan essentieel zijn voor de algehele prestaties van het ventilatiesysteem, vooral in omgevingen waar snelle luchtstroom noodzakelijk is om verontreinigende stoffen effectief te verwijderen.

De studie benadrukt dat de keuze tussen CFD en DVM voor het ontwerpen van afzuigkappen nauw samenhangt met de gewenste mate van vortexcontrole en de specifieke eisen van het ventilatiesysteem. Beide methoden hebben hun voordelen, afhankelijk van de specifieke toepassing, en een zorgvuldige afweging van de geometrie, luchtstroomsnelheden en de vereiste afzuigkapcapaciteit is essentieel voor het behalen van de beste resultaten.

Hoe de keuze van turbulentiemodellen de numerieke oplossing voor luchtsystemen beïnvloedt

Het begrijpen van LDC (Luchtdebietcoëfficiënt) biedt waardevolle inzichten in de validatie van numerieke oplossingen voor ventilatiesystemen, en helpt bij het bepalen van de meest accurate instellingen en modellen. Dit artikel onderzoekt een 2D turbulent stromingsprobleem binnen een ventilatiekanaal, waarbij verschillende turbulentiemodellen en wandsimulatiemethoden worden getest om de nauwkeurigheid van de berekeningen te verbeteren.

In dit geval werd een symmetrisch kanaalelement gebruikt, waarbij enkel de bovenste helft van het rekengedeelte werd geanalyseerd. De stroming in het kanaal wordt beïnvloed door verschillende turbulentiemodellen, waaronder het standaard k–ε (SKE) model, het k–ω (SKW) model, het k–ω SST (SSTKW) model, en het Reynolds Stress Model (RSM). Ook werden er twee wandsimulatiemethoden getest: de standaardwandfuncties (SWF) en verbeterde wandbehandelingen (EWT).

De eerste fase van de validatie is gericht op de invloed van de gekozen turbulentiemodellen en wandsimulatiemethoden op de numerieke oplossing. Hierbij wordt zowel de weerstand (volgens de Borda-Carnotvergelijking) op het punt van plotselinge expansie als de afmetingen van de vortexzone (VZ) geanalyseerd. De vortexzone is een belangrijk gebied voor het begrijpen van energieverliezen door wrijving, en de manier waarop deze zone zich gedraagt, is van cruciaal belang voor de verdere ontwerpoptimalisatie van luchtkanalen.

In dit specifieke geval werd een testprobleem geconfigureerd waarbij de breedte van het kanaal plotseling verandert van 0,1 m naar 0,2 m, wat de zogenaamde plotselinge expansie creëert. Om ervoor te zorgen dat de randvoorwaarden (BC) en verstoringen bij deze plotselinge expansie de resultaten niet beïnvloeden, werd het kanaal zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts van de expansie lang genoeg gekozen. Dit vergroot de nauwkeurigheid van de berekeningen door eventuele invloeden van de randvoorwaarden te minimaliseren.

De studie van het drukverlies langs het kanaal toonde aan dat de druk in het kanaal significant varieert afhankelijk van de locatie en het turbulentiemodel dat werd gebruikt. Het grootste drukverlies werd vastgesteld in het gebied direct na de plotselinge expansie, waar de stroming in hoge mate vervormd is door de verandering in kanaalbreedte. Dit resulteert in niet-lineaire drukdalingen die niet alleen door wrijving, maar ook door de complexe vortexbeweging in het gebied van de plotselinge expansie worden veroorzaakt.

Naast de berekening van drukverlies was het belangrijk om de lengte van de invloedzone (IZ) van de plotselinge expansie te bepalen. Deze invloedzone speelt een belangrijke rol in de energieverliezen binnen het kanaal en is nauw verbonden met de prestaties van het ventilatiesysteem. De lengte van de invloedzone varieert afhankelijk van de geometrie van de expansie en de gekozen randvoorwaarden, en moet zorgvuldig in rekening worden gebracht bij het ontwerp van luchtsystemen.

De LDC’s (Luchtdebietcoëfficiënten) werden bepaald door de drukverliezen te vergelijken tussen het gebied voor en na de plotselinge expansie. Het verschil in druk tussen deze twee gebieden werd gebruikt om de totale drukverliezen als gevolg van de plotselinge expansie te berekenen. Het gebruik van LDC’s maakt het mogelijk om de effectiviteit van verschillende turbulentiemodellen te evalueren zonder de complexiteit van gedetailleerde simulaties in elke mogelijke scenario te hoeven doorrekenen.

In het geval van een plotselinge expansie kunnen de specifieke verliezen door stromingsdeformatie in het gebied van de expansie niet zomaar worden toegeschreven aan een enkel punt of gebied. De drukverliezen zijn over het algemeen ongelijkmatig verdeeld over de invloedzone en het is belangrijk om deze ongelijkheid in de berekeningen op te nemen om een realistischere weergave van de energieverliezen te krijgen. Dit draagt bij aan de precisie van het ontwerp en maakt het mogelijk om efficiëntere ventilatiesystemen te creëren.

Tot slot werd een mesh-convergentieanalyse uitgevoerd om ervoor te zorgen dat de gekozen mesh dicht genoeg was voor nauwkeurige simulaties. Verschillende combinaties van turbulentiemodellen en wandsimulatiemethoden werden getest om te controleren of de mesh voldoende verfijnd was voor het verkrijgen van betrouwbare resultaten. Dit soort validatie is essentieel om te voorkomen dat numerieke artefacten de nauwkeurigheid van de simulatie beïnvloeden.

Wat belangrijk is om te begrijpen is dat turbulentie in ventilatiesystemen niet alleen een kwestie is van het kiezen van het juiste model, maar ook van het zorgvuldig beheren van randvoorwaarden, mesh-kwaliteit en wandbehandelingsmethoden. Het gebruik van LDC’s kan een krachtig hulpmiddel zijn, maar het vereist zorgvuldige afstemming van alle simulatieparameters. Ook de invloed van niet-lineaire drukverliezen en de complexe vortexbewegingen in de invloedzones moeten niet onderschat worden, aangezien deze de efficiëntie van het ventilatiesysteem in aanzienlijke mate beïnvloeden.

Hoe de Effectiviteit van Stofafzuigsystemen te Verhogen bij Manicures

De deeltjesgrootte-analyse toont aan dat de deeltjes kleiner dan 10 μm minder dan 5% van het stof vormen dat vrijkomt tijdens handmatige behandelingen (#1 en #2). Een aanzienlijk aandeel van het stof bestaat uit deeltjes groter dan 100 μm, wat te verklaren valt door het gebruik van een vijl met grove schurende deeltjes. Mechanische behandelingen (monster #3) veroorzaken veel fijnere stofdeeltjes, waarbij het aandeel van de deeltjes kleiner dan 10 μm nooit meer dan 0,5% bedraagt. De concentraties van PM10 en PM2.5 deeltjes in de ademzone overschrijden de Russische, Amerikaanse en Europese regelgeving aanzienlijk.

Deze overtollige concentraties van schadelijke stoffen tijdens manicurebehandelingen maken het noodzakelijk om de werkruimten van lokale ventilatiesystemen te voorzien die in staat zijn om zoveel mogelijk van deze verontreinigende stoffen te vangen dicht bij de bron van hun afgifte. Het gebruik van dergelijke systemen brengt echter aanzienlijke energie- en financiële kosten met zich mee, wat het noodzakelijk maakt om te kiezen voor systemen met maximale energie-efficiëntie in het ontwerp van afzuigapparatuur.

Bij het modelleren van de stofdeeltjesopvang wordt duidelijk dat een laterale afzuigkap effectiever zou zijn dan een verticale afzuigkap wanneer er een stofbeladene luchtstroom ontstaat door het ronddraaien van een vijlen. De luchtstroom zou uiteraard naar de afzuigkap gericht moeten zijn. Simulaties zouden nuttig zijn om deze aanname verder te bevestigen. Bovendien biedt een laterale afzuigkap meer comfort voor de manicure-expert, omdat deze geen afbreuk doet aan het zicht of de benodigde bewegingen tijdens de behandeling verstoort. De extreme trajecten van stofdeeltjes worden bepaald door de terminale snelheden van de deeltjes (0,01; 0,05; 0,1; 0,2 m/s) en de initiële snelheden van de deeltjes (0, 1, 2, 10 m/s), evenals de hoek van de deeltjes ten opzichte van de horizon (0° tot 359°), wat uiteindelijk bepalend is voor de efficiëntie van de afzuiging.

De resultaten van de simulatie laten zien dat de afzuigcapaciteit van de kap toeneemt met een grotere afstand van de luchtinlaat tot het oppervlak, de werktafel in dit geval. De afzuigcapaciteit wordt sterker bij toenemende zuigsnelheden, wat betekent dat de afzuigkap in staat moet zijn om het stof effectief vast te leggen, zelfs wanneer het zich verder van de bron bevindt. De hoeken en snelheden van de deeltjes beïnvloeden ook de efficiëntie van de stofopvang, waarbij bepaalde hoeken van 130° tot 180° gunstiger blijken voor een betere stofopvang.

Numerieke experimenten met het identificeren van de invloed van de initiële snelheid van de deeltjes op het bereik van de stofopvang tonen aan dat de initiële snelheid van een stofdeeltje weinig effect heeft op de afstand voor de opvang van fijnere deeltjes. Dit effect wordt echter significant groter naarmate de terminale snelheid toeneemt. De ideale configuratie voor de afzuigkap is die waarbij de zuigsnelheid optimaal is afgestemd op de afstanden en snelheden die gelden in de specifieke situatie van manicurebehandelingen.

Het is cruciaal om te begrijpen dat hoewel het plaatsen van de afzuigkap dicht bij de bron essentieel is voor kleinere deeltjes, de afzuigsnelheid en de nauwkeurigheid van het systeem moeten worden aangepast aan de specifieke behandelingsomstandigheden. Voor een effectievere stofopvang is een dynamische benadering nodig waarbij rekening wordt gehouden met de variërende snelheden en hoeken van de stofdeeltjes, en daarnaast moeten technische verbeteringen in afzuigtechnologieën voortdurend worden onderzocht.