De vorming van vortexzones (VZ) in ventilatiesystemen is een belangrijk fenomeen dat de prestaties van luchtkanalen kan beïnvloeden. De studie van deze vortexzones, met name in het geval van zijkanalen en openingvormen, biedt waardevolle inzichten in het optimaliseren van luchtstroom en het verminderen van luchtweerstand. Uit numerieke simulaties en experimenten blijkt een duidelijke relatie tussen de geometrie van de opening, de stroomverhouding en de uiteindelijke vortexzone die zich vormt.

In het geval van een opening in het midden van het kanaal, zoals weergegeven in figuur 3.9, kan men de vortexzone visueel en numeriek vergelijken. De initiële vorm van de vortexzone komt goed overeen met de experimentele resultaten voor een breed scala aan stroomverhoudingen. Het is duidelijk dat grotere verhoudingen van G/G_o leiden tot een grotere vortexzone. Dit resulteert in een stroming die dichter bij het normaal van de opening benadert. Bij grotere stroomverhoudingen wordt de stroming echter sterker turbulent, vooral door de menging van de inkomende jet met de luchtstroom die langs de opening beweegt. Dit maakt het moeilijk om de vortexzone volledig te visualiseren langs de gehele lengte van de opening.

Het idee van een "basis" vortexzone werd ontwikkeld, die de geometrie van de vortexzone beschrijft bij een verhouding van G/G_o ≈ 0,5. Deze basisvorm werd vervolgens geschaald door middel van een schaalfactor k, die werd bepaald voor verschillende geometrieën van de opening. In figuur 3.10 worden de gemeten contouren van de vortexzone vergeleken met de numerieke berekeningen, en de overeenkomsten zijn opmerkelijk, vooral voor gemiddelde stroomverhoudingen. Bij extreme waarden van de stroomverhouding (G/G_o ≈ 0,1 en G/G_o ≈ 0,98) is de overeenkomst echter minder nauwkeurig. Dit wordt toegeschreven aan de invloed van de kanaalwanden of andere externe stromingspatronen die de vortexzone beïnvloeden.

De schaalfactor k, die de geometrie van de vortexzone beïnvloedt, kan met behulp van een machtswet als functie van de stroomverhouding worden benaderd. Dit biedt een manier om vortexzones voor verschillende openingdimensies te berekenen door de basisvorm van de vortexzone te schalen. De resulterende formule voor k, afhankelijk van de geometrie van de opening, biedt een nuttig hulpmiddel voor ingenieurs die luchtkanalen ontwerpen om de vortexzone te begrijpen en te optimaliseren.

Wanneer de vorm van de opening verder wordt aangepast, bijvoorbeeld door het toevoegen van een vormelement aan de rand van de opening, verandert de aard van de vortexzone. Figuur 3.12 toont de gecomputeriseerde simulatie van een energie-efficiënte opening met een vormaanpassing. De invloed van verschillende vormen op de vortexzone wordt geïllustreerd door drie variaties van de vorm, namelijk “shape 0.258”, “shape 0.504” en “shape 0.784”. De numerieke simulaties laten zien hoe de luchtweerstand (LDC) verandert bij verschillende stroomverhoudingen, waarbij elke vormoptie verschillende voordelen biedt afhankelijk van de specifieke omstandigheden van de luchtstroom.

Bij lage stroomverhoudingen (G/G_o ≈ 0,2) zorgen kleinere vormen zoals "shape 0.258" voor een relatief uniforme luchtstroom zonder aanzienlijke turbulentie. Naarmate de stroomverhouding toeneemt, wordt duidelijk dat de secundaire vortexzone (SVZ) significant groter wordt voor bepaalde vormen, wat de prestaties van de opening beïnvloedt. Dit gedrag is vooral merkbaar bij grotere vormen zoals “shape 0.784”, waar de secundaire vortexzone sterker aanwezig is. Het kiezen van de juiste vorm voor de opening, afhankelijk van de stromingseigenschappen, kan de algehele prestaties van het ventilatiesysteem aanzienlijk verbeteren.

De keuze voor de juiste vorm is afhankelijk van de specifieke toepassing en de gewenste balans tussen luchtweerstand en luchtstroom. In situaties waar de vortexzone goed beheersbaar moet zijn, zoals in hogedrukventilatiesystemen, kunnen specifieke vormen die de secundaire vortexzone minimaliseren voordelig zijn. De vorm “shape 0.504” biedt een gebalanceerde oplossing die zorgt voor een relatief lage luchtweerstand in een breed scala van stroomverhoudingen, waardoor het geschikt is voor toepassingen die constante prestaties vereisen over een breed scala aan operationele omstandigheden.

Naast de formele aanpassing van de opening kan het begrijpen van de dynamiek van de vortexzone ook leiden tot een beter begrip van andere aspecten van het luchtkanaalontwerp, zoals de invloed van kanaalgeometrieën en de plaatsing van ventilatoren. Het optimaliseren van de vortexzone kan niet alleen de luchtweerstand verbeteren, maar ook de efficiëntie van de luchtcirculatie in een systeem verhogen, wat resulteert in energie-efficiëntie en lagere operationele kosten.

Hoe werken geavanceerde methoden bij het analyseren van complexe afzuigsystemen?

Bij het ontwikkelen van afzuigsystemen is het belangrijk om nauwkeurige methoden toe te passen om luchtstromingen en hun dynamiek goed te begrijpen. Dit geldt vooral voor complexe systemen zoals rechthoekige afzuigkanalen met scherpe randen. In dit onderzoek wordt een geavanceerde rekentechniek gepresenteerd die zich richt op de dimensieloze axiale luchtsnelheid en de scheidingslijn van de luchtstroom bij de ingang van een scherp randafzuigkanaal.

De toegepaste methode gebruikt zowel experimentele gegevens als CFD-simulaties om de nauwkeurigheid van de berekeningen te verifiëren. Een van de belangrijkste inzichten die voortkwamen uit de numerieke experimenten was de relatie tussen de geometrische afmetingen van het kanaal en de snelheden binnen het systeem. Het model toonde bijvoorbeeld aan dat bij een breedte van het kanaal die varieerde van 1 keer tot 6 keer de hoogte, de snelheid van de lucht in de buurt van het kanaal varieerde, afhankelijk van de gebruikte rekentechniek.

Een van de opvallende bevindingen is dat de gemiddelde snelheid bij de ingang van het kanaal een belangrijke parameter blijkt te zijn. De simulaties gaven aan dat de gemiddelde snelheid niet gelijk was aan de theoretische waarde van 1, zoals vaak wordt verondersteld, maar dat de snelheid in werkelijkheid iets groter moet zijn om de vorming van vortexzones en de compressie van de straal te compenseren.

Verder werd de werking van het DVM-model (Discrete Vortex Method) gedetailleerd geanalyseerd en vergeleken met de resultaten van eerdere studies, zoals die van Kulmala en Saarenrinne (1996). De resultaten bleken in sterke overeenstemming met de experimentele en numerieke gegevens, wat de effectiviteit van de ontwikkelde methode bevestigt. Dit gaf belangrijke inzichten in de karakteristieken van de luchtstroom bij verschillende geometrieën van het afzuigkanaal.

Bij de vergelijking van de luchtsnelheden in een vierkant afzuigkanaal met een geperforeerd of rond afzuigkanaal werd duidelijk dat er significante verschillen zijn in de vortexstructuren die zich ontwikkelen bij de ingang van het kanaal. De simulaties en experimenten gaven aan dat de contouren van de vortexzone voor een rechthoekig afzuigkanaal met een breedte-hoge verhouding van 4:1 of 6:1 overeenkwamen met de contouren van een geperforeerd kanaal, wat de relatie tussen de geometrie van het kanaal en de vortexontwikkeling benadrukt.

Bovendien werd het belang van het Reynolds-getal in de studie duidelijk. Bij lage Reynolds-getallen waren de vortexstructuren kleiner, maar bij hogere waarden breidden deze zich uit en bereikten ze uiteindelijk een stabiele toestand. Dit toont aan dat de dynamiek van de luchtstroming sterk afhankelijk is van de snelheid en de flow-regimes die zich binnen het afzuigsysteem kunnen ontwikkelen.

In visuele termen werd de contour van de vortexzone vastgelegd bij verschillende stroomsnelheden, wat een beter begrip biedt van de invloed van de snelheid op de vortexvorming. Het bleek dat bij hoge stroomsnelheden de afmetingen van de vortexzone aanzienlijk toenamen, terwijl bij lagere snelheden deze minder uitgesproken waren.

De methoden die in dit onderzoek zijn ontwikkeld, bieden een gedetailleerde benadering voor het bestuderen van luchtstromen in complexe afzuigsituaties. Dit is cruciaal voor het ontwerp van efficiënte ventilatiesystemen, vooral in omgevingen waar nauwkeurige beheersing van luchtstromen essentieel is, zoals in industriële afzuigsystemen of complexe ventilatiesystemen in gebouwen.

In de praktijk kunnen deze bevindingen helpen bij het verbeteren van de prestaties van afzuigsystemen door een beter inzicht te geven in hoe verschillende kanaalgeometrieën, luchtsnelheden en flow-regimes de efficiëntie en effectiviteit van het systeem beïnvloeden. Door gebruik te maken van de ontwikkelde rekentechnieken kunnen ingenieurs en ontwerpers afzuigsystemen optimaliseren en de luchtstromen beter afstemmen op de specifieke eisen van de ruimte.

Hoe beïnvloedt de wandafstand de Vortexzones (VZ) bij uitlaatontwerpen?

Bij de studie van vortexventilatie (VZ) in uitlaatontwerpen wordt de invloed van de nabijheid van een ondoordringbare wand op de grootte en het gedrag van vortexzones onderzocht. Uit de resultaten blijkt dat de afstand van de wand ten opzichte van de uitlaatopening (gesymboliseerd als s/R) een significante invloed heeft op de afmetingen van de eerste (1VZ) en tweede vortexzones (2VZ), afhankelijk van de geometrie van de kapflens (d/R). De numerieke simulaties bevestigen dat de wand met name de ontwikkeling van de vortex in de eerste zone beperkt wanneer de afstand klein is, maar naarmate de afstand toeneemt, verdwijnen de effecten van de wand.

Bij het onderzoeken van de invloed van de flenslengte van de kap (d/R), blijkt dat de resistentie van de uitlaatontwerpen toeneemt met grotere flenslengtes. De kleinere flenslengte (d/R = 0,5) resulteert in lagere luchtweerstand, wat kan worden toegeschreven aan de kleinere verstoring van de luchtstroom. Wanneer de flenslengte toeneemt, blijven de dimensies van de vortexzones min of meer hetzelfde, ondanks de verandering in de afstand tot de ondoordringbare wand. De resultaten komen goed overeen met eerdere experimentele gegevens van Idelʼchik en Steinberg (1994), waarbij de numerieke resultaten een afwijking van slechts ongeveer 5% vertonen, wat de nauwkeurigheid van het gebruikte rekenmodel bevestigt.

Wat de eerste vortexzone (1VZ) betreft, toont de studie aan dat de invloed van de ondoordringbare wand het meest uitgesproken is bij kleinere afstanden s/R, waar de wand de vortexvorming lijkt te remmen. Bij grotere afstanden (s/R > 2) neemt dit effect af, en lijken de afmetingen van 1VZ in de buurt te komen van de waarden die men zou verwachten zonder de aanwezigheid van de wand. Dit wordt verklaard door het feit dat de luchtstroomsnelheid rond de scherpe rand van de kapflens verhoogd wordt door de nabijheid van de wand, waardoor de vortexzone in eerste instantie toeneemt. Echter, wanneer de afstand verder wordt vergroot, neemt de luchtstroomsnelheid af, waardoor de vortexzone weer afneemt.

Een interessant aspect van de analyse is dat de geometrie van 2VZ, de tweede vortexzone, op een andere manier reageert op de wandafstand. De grootte van 2VZ neemt af met de toenemende wandafstand, vooral tussen de afstanden 0,5 < s/R < 2. Verder verandert de grootte van de vortexzone nauwelijks. Dit verschilt van de eerste vortexzone, waar de afmetingen sterk variëren afhankelijk van de flenslengte en de wandafstand. De grootte van 2VZ neigt naar een constante waarde naarmate de afstand groter wordt, wat in overeenstemming is met eerdere studies die aangeven dat de tweede vortexzone niet gevoelig is voor de flensgrootte.

De numerieke resultaten van de 1VZ en 2VZ helpen ons een beter begrip te krijgen van de mechanismen die de vortexvorming beïnvloeden. Terwijl de eerste vortexzone gevoelig is voor zowel de afstand tot de wand als de flensgrootte, lijkt de tweede vortexzone meer afhankelijk te zijn van de luchtstroomsnelheid en de geometrische kenmerken van de kapflens. Dit betekent dat bij het ontwerpen van uitlaatsystemen, vooral wanneer vortexventilatie van belang is, de nabijheid van ondoordringbare wanden en de keuze van de flensgrootte zorgvuldig moeten worden overwogen om de luchtweerstand te minimaliseren en de efficiëntie van de uitlaatventilatie te optimaliseren.

Hoewel deze numerieke simulaties waardevolle inzichten bieden, is het belangrijk om te begrijpen dat de resultaten onder specifieke voorwaarden zijn verkregen. De simulaties kunnen variëren afhankelijk van de gebruikte randvoorwaarden en aannames in het model. In de praktijk kunnen er andere factoren spelen, zoals turbulentie in de luchtstroom en de effectiviteit van de vortexventilatie bij verschillende snelheden en belastingen van het uitlaatsysteem.

Hoe beïnvloedt de adaptatie van de rekencellen de nauwkeurigheid van numerieke simulaties voor T-splitsingen?

In de numerieke simulatie van complexe stromingsdynamica, zoals die van asymmetrische T-splitsingen, is het verkrijgen van een betrouwbare mesh een essentieel aspect voor het verkrijgen van nauwkeurige resultaten. Meshconvergentie wordt bereikt wanneer de numerieke oplossing niet meer significant verandert bij verdere verfijning van de rekencellen. De gegevens die uit een dergelijke simulatie voortkomen, kunnen worden geverifieerd door ze te vergelijken met experimentele metingen, waarbij nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van de simulaties een belangrijke rol spelen.

De simulatie van een onregelmatige meng- en afvoer-T-splitsing, uitgevoerd met ANSYS FLUENT 12.0, toont aan dat meshconvergentie bereikt wordt na de zevende aanpassing, waarbij de waarde van de dimensieloze parameter yy^* ongeveer 50 bedraagt. De lineaire celgrootte varieerde van 0,195 mm tot een maximum van -1,25 cm, met in totaal 472.140 cellen en 615.265 knooppunten in de berekening. Deze verfijning was essentieel voor het verkrijgen van de juiste resultaten voor een vlakke onregelmatige toevoer-T-splitsing, waarbij de mesh na negen aanpassingsstadia leidde tot een waarde van y44y^* \approx 44, en het verschil in drukveranderingen langs de kanaalwanden binnen de 0,7% lag tussen de achtste en negende aanpassing. De minimale lineaire celgrootte was ongeveer 7 mm en de berekening omvatte 1,8 miljoen cellen en 2,4 miljoen knooppunten.

Vergelijkbare simulaties voor mengende toevoer-T-splitsingen gaven afwijkingen van minder dan 10% ten opzichte van de numerieke resultaten uit Idel’chik (1992). Deze afwijkingen bevestigen dat de numerieke benaderingen goed in overeenstemming zijn met de bestaande theoretische en experimentele gegevens, maar ook wijzen op enkele significante verschillen in de stromingskarakteristieken van mengende versus afvoerende T-splitsingen.

In het geval van een afvoerende T-splitsing, waarin de luchtstroom uit verschillende zijtakken samenkomt, waren de lokale weerstandscijfers (LDC) bij de laatste aanpassingsfase ζ=0.59\zeta = 0.59 en ζ=0.7\zeta = 0.7, terwijl Idel’chik (1992) waarden van ζ=0.57\zeta = 0.57 en ζ=0.55\zeta = 0.55 rapporteerde. Dit resulteerde in een afwijking van 3,4% voor ζ\zeta en 21% voor de verminderde drukcoëfficiënt. Voor een toevoer-T-splitsing werden de waarden van ζ\zeta en ζ\zeta respectievelijk vastgesteld op 0,525 en 0,413, wat ook een afwijking van 10% van de numerieke bevindingen vertoonde.

Deze numerieke gegevens kunnen vervolgens worden vergeleken met gegevens voor een divergerende toevoer-T-splitsing, zoals gepresenteerd door Idel’chik (1992), die ζ=0,55\zeta = 0,55 en ζ=1,4\zeta = 1,4 aangaf. De grote afwijking tussen deze waarden en die van de mengende T-splitsingen onderstreept het verschil in het aard van de stroming in divergerende versus mengende T-splitsingen. Dit laat zien dat de stroming in de afvoerende meng-T-splitsing meer overeenkomt met die in de toevoer-T-splitsing dan met de divergerende toevoer-T-splitsing.

De numerieke en experimentele validatie van de gegevens blijkt van cruciaal belang voor het verbeteren van de nauwkeurigheid van simulaties van T-splitsingen. In dit geval werd een experimentele verificatie uitgevoerd met behulp van een opstelling waarbij de luchtstroom door verschillende orifice-platen werd gestuurd. De positie van de orifice-platen werd aangepast om de verhoudingen van de doorstroomsnelheden aan te passen, waardoor de stromingsratio tussen de zijtakken varieerde tussen 0,2 en 0,78. De resulterende lokale weerstandscijfers, zoals weergegeven in Tabel 7.2 en Figuur 7.6, laten zien dat de numerieke resultaten goed overeenkomen met de experimentele data, wat de betrouwbaarheid van de simulatie verder onderstreept.

Het is belangrijk te realiseren dat de nauwkeurigheid van de simulaties sterk afhankelijk is van de meshgrootte en de mate van verfijning van de rekencellen. Bij het modelleren van complexere systemen, zoals asimmetrische T-splitsingen, kunnen zelfs kleine afwijkingen in de mesh leiden tot significante verschillen in de berekende stromingsparameters en drukverliezen. Het is dan ook van essentieel belang om meerdere iteraties van meshverfijning door te voeren om de convergentie te waarborgen en betrouwbare resultaten te verkrijgen.

De verschillen in de stroming in mengende en divergerende T-splitsingen moeten ook goed begrepen worden, omdat ze invloed hebben op de nauwkeurigheid van simulaties en de afstemming van modellen op specifieke toepassingen. In veel industriële toepassingen, zoals de luchtvaart en de automobielindustrie, kunnen kleine afwijkingen in stromingsparameters grote gevolgen hebben voor de efficiëntie en prestaties van systemen. Dit maakt het essentieel om numerieke simulaties te blijven verfijnen en te valideren met behulp van zowel experimentele gegevens als theoretische literatuur.

Wat is het dynamische vormcoëfficiënt en hoe beïnvloedt het de stofdeeltjesbeweging?

De dynamische vormcoëfficiënt voor stofdeeltjes wordt berekend met een methode (Razumov, 1979) die afhankelijk is van het Reynolds-getal (Re). Dit getal bepaalt het type stroming rond een deeltje, wat belangrijk is voor de luchtweerstand en de snelheid waarmee het deeltje in de lucht beweegt. Voor verschillende bereiken van het Reynolds-getal wordt de vormcoëfficiënt als volgt berekend:

  • Voor Re < 0,2: χ = 1 / (−0,843 lg(0,065 f)),

  • Voor 0,2 < Re < 2·10³: χ = f⁰.⁹ Re⁰.¹⁵ f⁻¹,

  • Voor Re > 2·10³: χ = 1 + 11,6 (f⁻¹).

Hierbij is Re het Reynolds-getal, berekend als Ar / (18 + 0,6 Ar), en Ar is de Archimedesgetal, gedefinieerd als:

Ar = gd³(ρ − ρₐ)ρ / μ.

Waarbij g de gravitatieversnelling is, d de equivalente deeltjesdiameter in millimeters, ρ de dichtheid van het deeltje, ρₐ de luchtdichtheid, en μ de dynamische viscositeit van de lucht. Verder is f de verhouding van de oppervlakte van het deeltje ten opzichte van de oppervlakte van de equivalente bol (Sₚ′ / Ss′), en V het volume van het deeltje.

De betekenis van de dynamische vormcoëfficiënt is groot wanneer deeltjes in een luchtstroom bewegen. Dit getal beïnvloedt de snelheid en het pad dat de deeltjes volgen, wat essentieel is voor het modelleren van stofverspreiding en het voorspellen van deeltjesgedrag in industriële omgevingen, bijvoorbeeld bij de afzuiging van lucht in werkruimtes.

Stofdeeltjesbeweging in luchtstromen

De luchtstroomsnelheidsveld dicht bij een afzuigkanaal kan worden bepaald met de discrete vortexringmethode (Logachev et al., 2018b, 2019). De betrouwbaarheid en adequaatheid van deze methode voor het berekenen van luchtstromen rondom een circulair afzuigkanaal werd eerder gevalideerd door middel van uitgebreide experimenten. In het geval van een gevormd kanaal wordt de stromingsgrens langs geïdentificeerde vortexzones gevormd, zowel voor de eerste als de tweede vortexzone.

De trajecten van stofdeeltjes worden vervolgens verkregen door numeriek integreren van gecombineerde differentiaalvergelijkingen die de beweging van de deeltjes beschrijven in relatie tot de luchtstroom. De bijbehorende formules zijn gecompliceerd, maar ze geven inzicht in hoe stofdeeltjes in de lucht bewegen op basis van lucht- en deeltjeskenmerken zoals luchtsnelheid, deeltjesdichtheid, en de eigenschappen van de luchtstroom.

De snelheid van een deeltje wordt bepaald door de terminale snelheid (of depositiesnelheid), die afhankelijk is van de luchtsnelheid, de deeltjesdichtheid, en de luchtweerstand. De luchtweerstand wordt gemeten door de dragcoëfficiënt (ψ), die afhankelijk is van het Reynolds-getal, en die een cruciale rol speelt bij het voorspellen van hoe snel stofdeeltjes zich in de lucht verplaatsen en of ze in staat zijn om te worden afgezogen door het ventilatiesysteem.

Eigenschappen van de vrijgegeven stof

Bij het verzamelen van stofmonsters werd een significant verschil gevonden tussen de stofdeeltjes die afkomstig waren van handmatige en gemecanniseerde behandelingen. De dichtheid van de deeltjes varieerde van 1240 kg/m³ tot 1250 kg/m³, afhankelijk van de methode van behandeling. De dynamische vormcoëfficiënt van de deeltjes varieerde tussen 1,38 en 1,55. Chemische analyses toonden aan dat de stof mengsels bevatten van vluchtige stoffen, zoals fenol en formaldehyde. Deze stoffen behoren tot Gevaarklasse 2 (zeer gevaarlijk), wat betekent dat ze potentieel schadelijk zijn voor de gezondheid bij blootstelling, zelfs in lage concentraties.

In de lucht worden de concentraties van formaldehyde en fenol vaak gemeten in mg/m³, maar voor stofdeeltjes is het belangrijk te begrijpen dat de concentratie van deze stoffen in de lucht soms lager is dan die in gasvorm. Dit betekent niet noodzakelijkerwijs dat de blootstelling aan schadelijke stoffen ook lager is, omdat de deeltjes zich kunnen ophopen in de ademhalingszone. De concentraties van deze stoffen in stofdeeltjes moeten zorgvuldig worden gemeten om het gezondheidsrisico voor werkers goed in te schatten.

Een belangrijke overweging is dat de grootte van de stofdeeltjes de manier waarop ze zich gedragen in de lucht sterk beïnvloedt. De deeltjesgrootte wordt bepaald door verschillende methoden, waaronder de analyse van deeltjesgrootteverdeling van gevallen stof. Dit is belangrijk, omdat kleinere deeltjes vaak dieper in de longen kunnen doordringen, wat hen potentieel gevaarlijker maakt.

Relevantie van deeltjesgrootte en deeltjesbeweging voor luchtbehandelingssystemen

Deeltjes in de lucht gedragen zich niet allemaal hetzelfde; sommige zijn groter en worden sneller afgezet, terwijl kleinere deeltjes langer in de lucht blijven zweven en moeilijker te verwijderen zijn. Dit maakt de luchtfiltratie en afzuiging een complex proces, omdat de efficiëntie van luchtzuiveringssystemen sterk afhankelijk is van deeltjesgrootte en de stromingskenmerken.

De simulatie van deeltjesbeweging is dan ook essentieel voor het ontwerp van effectieve luchtzuiveringssystemen in werkruimten. Het begrijpen van de relatie tussen luchtsnelheid, deeltjesgrootte en vormcoëfficiënt helpt ingenieurs bij het optimaliseren van afzuigsystemen, zodat de schadelijke deeltjes zo effectief mogelijk worden verwijderd uit de ademhalingszone.