Hoe wordt de Invloedszone (IZ) in Luchtkanalen Gedefinieerd en Waarom is Dit Cruciaal voor Systeemontwerp?

Bij het bepalen van de Luchtweerstand Coëfficiënt (LDC) voor samenstellingen (units, knooppunten) die een opeenvolging van verschillende elementen bevatten, is het essentieel om de lengte van de zogenaamde "invloedszone" (IZ) te kennen. In samenstellingen waarin de afstanden tussen de componenten de lengte van de IZ overschrijden, kan de totale LDC eenvoudig worden berekend door de LDC’s van de individuele componenten bij elkaar op te tellen. De lengte van de IZ speelt een belangrijke rol bij het kiezen van meetsecties voor de test van luchtkanalen. Dit is van bijzonder belang bij het meten van luchtstromen in ventilatiesystemen, zoals gespecificeerd in normen zoals GOST 12.3.018-79 en UNI EN 12599:2012, die de methoden voor aerodynamische tests van ventilatiesystemen reguleren. In deze normen wordt de locatie van de meetsecties vaag aangeduid als "ten minste twee keer de diameter voor het verstoringspunt van de luchtstroom en ten minste zes keer de diameter na het verstoringspunt."

Daarnaast noemt Idel’chik (1992) coëfficiënten die de wederzijdse invloed van verschillende fittingelementen in de berekening van de totale LDC meenemen. Dit houdt in dat de elementen elkaar beïnvloeden als de afstand tussen hen kleiner wordt dan de invloedzone van elk individueel element. Uit analyses van verschillende combinaties van elementen blijkt dat een typische afstand voor de invloedzone tussen 10 en 20 keer de diameter van het kanaal ligt. Dit kan precies worden bepaald door numerieke studies van de drukverdeling in de fittingelementen. De meest nauwkeurige methode voor het bepalen van de IZ is via de distributie van de totale druk langs het kanaal in de aanwezigheid van een fitting.

Belangrijke bevindingen uit studies over de drukverdeling, zoals gepubliceerd door Posohin et al. (2012, 2014), identificeren twee hoofdmethoden voor het bepalen van de IZ-lengte: via asymmetrie in de snelheidsvelden en via de verdeling van de totale druk. Bij het onderzoeken van een scherpe 2D-90° bocht geeft een drukverdeling het volgende beeld van de snelheidsverdeling in de doorsneden van het kanaal: ∆u = u1 − u2, waarbij u1 en u2 de gebiedsgewogen snelheden zijn in de twee asymmetrische helften van het kanaal, en u0 de gebiedsgewogen snelheid is buiten de IZ, waar de luchtstroom niet meer verstoord wordt. Dit maakt het mogelijk om de invloedzone te bepalen voor elementen die de luchtstroom asymmetrisch deformatie veroorzaken, zoals bochten, asymmetrische uitbreidingen of vernauwingen, of elementen die te maken hebben met de laterale samenvoeging of splitsing van luchtstromen.

In het geval van symmetrische verstorende elementen, zoals symmetrische vernauwingen of uitbreidingen, of symmetrische inlaatgebieden zoals afzuigkappen en sleuven, biedt deze methode geen informatie over de lengte van de invloedszone. Bovendien is het in technische zin een complexere benadering. Er ontstaan echter geen dergelijke complicaties wanneer de distributie van de totale druk over de doorsneden van het kanaal wordt gebruikt om de lengte van de invloedszone te bepalen. Zoals al eerder besproken, worden de gebieden van lineair en niet-lineair gedrag van de specifieke drukval R geïdentificeerd door de drukverdeling langs het kanaal, verkregen uit numerieke simulaties. Het verschil is dat, in tegenstelling tot de berekening van de LDC, extra doorsneden worden geïntroduceerd op de grenzen van deze gebieden om de lengte van de invloedszone met meer precisie te bepalen.

Uit de experimenten blijkt dat de invloedszone na een fitting veel langer is dan de zone ervoor. Dit is duidelijk zichtbaar in de berekeningen voor een afzuigtak met een T-vormig verbindingspunt. Bij het onderzoeken van de drukverdeling in het hoofdkanaal stroomafwaarts van het samenvloeiingspunt, worden verschillende secties gedefinieerd waar de druk niet-lineair verandert, gevolgd door een gebied van lineaire drukval. De lengtes van de invloedszone kunnen nauwkeurig worden bepaald door de verdeling van de druk in verschillende gebieden en door het introduceren van extra secties op de grenzen van deze gebieden.

De belangrijkste elementen in deze studies zijn het nauwkeurig vaststellen van de invloedzones van de fittingelementen en het begrijpen van de impact van deze zones op het gehele ventilatiesysteem. Het bepalen van de invloedszones is niet alleen relevant voor het ontwerp en de analyse van ventilatiesystemen, maar ook voor het bepalen van waar en hoe de metingen van de luchtstromen het beste uitgevoerd kunnen worden. Dit zorgt ervoor dat ingenieurs en ontwerpers de optimale plaatsing van meetsecties kunnen kiezen en daardoor betrouwbare en consistente testresultaten verkrijgen. In sommige gevallen kan de exacte positionering van de invloedszone een aanzienlijke invloed hebben op de nauwkeurigheid van de prestatiebeoordeling van het systeem.

Hoe de vorming van ventilatieopeningen de luchtstroom beïnvloedt en energie-efficiëntie verbetert

De vermindering van de luchtweerstand (LDC, Local Drag Coefficient) bij gebogen of gevormde ventilatieopeningen is een cruciaal element voor het verbeteren van de energie-efficiëntie van ventilatiesystemen. Onderzoek toont aan dat de geometrie van de opening aanzienlijke invloed heeft op de efficiëntie van de luchtstroom. In verschillende experimenten werd ontdekt dat de LDC voor een gevormde opening ongeveer 14% lager is dan de numerieke waarde, die een LDC van 3,7 aanduidt. Experimenten bevestigden echter een algehele vermindering van de LDC met ongeveer 20% bij een verhouding van hoogte tot breedte van 1,875. Het is duidelijk dat de afname van de luchtweerstand afhankelijk is van de afmetingen van de VZ-contouren, die op hun beurt weer bepaald worden door de afmetingen van de opening.

In de experimenten werd waargenomen dat de reductie in luchtweerstand afnam van 30% tot 23% naarmate de opening groter werd. Alleen de grootste opening leek deze regel te omzeilen, omdat de efficiëntie in dit geval nog steeds 30% bleef. Dit bevestigt het belang van een optimale afstemming tussen de opening en de aerodynamische eigenschappen van het systeem. Het feit dat de grootste opening een uitzondering is, suggereert dat er een grenswaarde is waarbij verdere vergroting van de opening niet langer voordelig is voor de energiebesparing.

Daarnaast zijn deze bevindingen verwerkt in de webgebaseerde module van de "Online LDC Calculator", die sinds 2024 beschikbaar is voor professionals in de bouw- en luchtbehandelingsindustrie. Deze tool helpt ingenieurs om de lokale drukval te berekenen op basis van de geometrie van de ventilatieopeningen, wat cruciaal is voor het ontwerp van energiezuinige systemen.

De effectiviteit van de vorming van openingen wordt verder benadrukt door studies die gebruik maken van computational fluid dynamics (CFD) om de luchtstroomgedrag rond ronde afzuigkappen te onderzoeken. Onderzoekers hebben aangetoond dat bij verschillende dimensies van de afzuigkap, zoals flenslengte en flenshoek, de luchtweerstand sterk varieert. De meest gedetailleerde berekeningen werden uitgevoerd met behulp van de Ansys Fluent software, waarbij een gedetailleerd rekenschema werd gebruikt om de luchtstroom door verschillende meshstructuren te simuleren. Door de meshcelgrootte te verfijnen tot de fijnste niveaus rond de hood en de duct, konden de onderzoekers nauwkeurige resultaten verkrijgen voor de plaatselijke luchtweerstand.

Bovendien was het van essentieel belang om tijdens het modelleren rekening te houden met de afhankelijkheid van het netwerk van de mesh. Dit betekent dat de keuze voor de fijnheid van het rekenschema en de nauwkeurigheid van de gegevens essentieel zijn voor het verkrijgen van betrouwbare resultaten. Bij de grootste meshstructuur werd de celgrootte geoptimaliseerd tot 0,0047 m om de grenslaag langs de wanden goed te kunnen vastleggen. Deze benadering zorgde ervoor dat de belangrijkste luchtstroomgebieden adequaat gemodelleerd werden, wat bijdraagt aan het verbeteren van het ontwerp en de werking van het ventilatiesysteem.

In andere studies werd een discrete vortex-methode ontwikkeld om het gescheiden strominggedrag bij de inlaat van een afzuigkap te modelleren. Dit biedt nog een ander perspectief op de optimalisatie van ventilatieopeningen, doordat de vortexvorming en het effect daarvan op de luchtweerstand op een gedetailleerdere manier kunnen worden geanalyseerd. Het gebruik van de discrete vortex-methode heeft geholpen bij het ontwikkelen van beter afgestelde systemen die de energie-efficiëntie verbeteren zonder de prestaties van het ventilatiesysteem negatief te beïnvloeden.

Voor de lezer is het belangrijk om te begrijpen dat de efficiëntie van ventilatiesystemen niet alleen afhankelijk is van de algehele grootte van de opening, maar ook van de specifieke vorm en oriëntatie ervan. De effectiviteit van luchtweerstandsvermindering neemt af met de vergroting van de opening, maar blijft relevant voor bepaalde ontwerpen. Het begrijpen van de interactie tussen de geometrie van de openingen en de aerodynamische eigenschappen van het systeem is essentieel voor het ontwerpen van energie-efficiënte luchtbehandelingssystemen. Elk ontwerp moet dus zorgvuldig worden aangepast aan de specifieke eisen van het gebouw of de industriële installatie.

Hoe beïnvloedt de helling van de ondoordringbare vlak de VZ-contouren in een geflensde afzuigkap?

De numerieke berekeningen van VZ (vortex zones) contouren voor verschillende afzuigkapontwerpen met flenzen tonen aan hoe belangrijk de geometrische gelijkenis is bij het ontwikkelen van verbeterde afzuigsysteemontwerpen. Bij de eerste VZ (1VZ), bijvoorbeeld, blijkt uit de vergelijking van de originele numerieke contouren (gestreepte lijn) en de contouren gevonden met de schaalfactor k (doorlopende lijn), dat de contouren goed overeenkomen, met een afwijking die niet groter is dan 9%. Er is echter een uitzondering voor de kleinste lengtes van de kapflens, waar de afwijking tot 25% kan oplopen. Dit geeft aan dat de stromingskarakteristieken in dit geval veranderen, maar dat de gebruikmaking van de schaalfactor k in de meeste gevallen een goede benadering biedt. Bij het ontwikkelen van verbeterde afzuigkappen is het dan ook essentieel om de efficiëntie van het profiel te verifiëren, vooral bij kleine flenslengtes.

Voor de tweede VZ (2VZ) is er echter geen geometrische gelijkenis te vinden, hoewel de afmetingen van de 2VZ voor afstanden s/R > 1 zwak afhankelijk zijn van het ontwerp en de afstand. Dit impliceert dat bij het ontwerpen van gevormde afzuigkappen, het noodzakelijk kan zijn om te controleren of de gevonden contouren in elk specifiek geval moeten worden toegepast. In veel gevallen zal er echter een universeel profiel zijn, waartoe de 2VZ-contouren neigen, zoals aangetoond door het gedrag van een vrije afzuigkap.

Verder blijkt uit de resultaten dat de VZ-contouren sterk afhankelijk zijn van de aanwezigheid van een ondoordringbaar vlak, vooral voor afstanden s/R ≤ 2. Dit benadrukt het belang van het in overweging nemen van deze factor bij het ontwikkelen van afzuigsysteemontwerpen, vooral voor systemen waarbij de kap zich voor een ondoordringbaar vlak bevindt. Door de gevonden VZ-contouren te gebruiken, kunnen verbeterde ontwerpen van afzuigkappen met een hellingshoek van 90° worden ontwikkeld, waarbij de kap zich voor het ondoordringbare vlak bevindt.

De invloed van de helling van het ondoordringbare vlak op de VZ-contouren is ook onderzocht. Wanneer het vlak wordt gekanteld, veranderen de afmetingen van de VZ in de flenskap. Tabel 6.2 toont de hoeken (β) en afstanden van het vlak tot de scherpe rand van de kap (s) waarbij de karakteristieke VZ-afmetingen stabiel worden. De plots in Figuur 6.40 en 6.41 illustreren deze veranderingen bij verschillende kantelhoeken van het vlak. Deze informatie is van belang voor het optimaliseren van de afzuigsysteemontwerpen, vooral wanneer de kap zich dicht bij een ondoordringbaar vlak bevindt. Dit kan bijvoorbeeld van invloed zijn op de luchtstroom en de effectiviteit van de afzuiging in industriële toepassingen.

De experimentele bepaling van het drukverliescoëfficiënt (LDC) voor een geflonste afzuigkap werd ook uitgevoerd. Zoals eerder werd opgemerkt, is het drukverlies in de tweede VZ groter dan in de eerste VZ wanneer een afzuigkap met een flens onder een rechte hoek wordt geplaatst in een onbeperkte ruimte. Het schalingseffect voor de tweede VZ levert een grotere vermindering van het LDC in vergelijking met de eerste VZ. De stabilisatieafstand voor de tweede VZ in dit geval is ongeveer één meetinstrument, wat voldoende is om de uitstoot van schadelijke stoffen in de praktijk te beheersen. De stabilisatieafstand voor de eerste VZ is echter aanzienlijk langer, wat betekent dat de contouren voor de eerste VZ opnieuw moeten worden gevormd.

Experimenten hebben aangetoond dat de VZ-contouren, wanneer de kap zich dicht bij een ondoordringbaar vlak bevindt, sterk afhankelijk zijn van de afstand tussen de kap en het vlak. Bij de metingen werden de LDC-waarden berekend op basis van de gemeten druk in secties die respectievelijk 0,8 m en 6,8 m stroomafwaarts van de inlaat waren geplaatst. De LDC-curves, die zijn uitgetekend in Figuuren 6.42 en 6.43, tonen aan dat het LDC sterk daalt bij een afstand tot het vlak van maximaal 0,6 keer de meetafstand, waarna het vrijwel stabiel blijft. Dit maakt het mogelijk om het effect van het ondoordringbare vlak op het afzuigsysteem te kwantificeren.

Bij vergelijking van de resultaten van experimenten met die van een ongevormde afzuigkap blijkt dat het verbeterde ontwerp met flens een significant lagere weerstand heeft. De efficiëntie van het schalingseffect is ongeveer 85%. Dit benadrukt de voordelen van het gebruik van de ontwikkelde VZ-contouren bij het ontwerpen van verbeterde afzuigsystemen.

Naast de genoemde aspecten is het van belang om te begrijpen dat de invloed van de afstand tussen de kap en het ondoordringbare vlak niet alleen de stroomdynamica beïnvloedt, maar ook de energie-efficiëntie van het gehele systeem. Dit aspect is cruciaal bij het ontwerp van afzuigsystemen die in industriële omgevingen of andere toepassingen worden gebruikt, waar zowel de effectiviteit van de luchtstroom als de kosten van energieverbruik belangrijke overwegingen zijn. Door de interactie tussen de VZ-contouren en het ondoordringbare vlak te optimaliseren, kan niet alleen de prestaties van het afzuigsysteem worden verbeterd, maar kunnen ook de operationele kosten worden verlaagd.

Hoe bepalen luchtstromen en weerstand in ventilatiesystemen bij verschillende inlaten en uitlaten?

In de studie van Logachev et al. (2010c) werd de CMM-methode (conforme kaartmethode) toegepast om de contouren van de vortexzone (VZ) bij de inlaat van een afzuigkap te bepalen. Dit werd gedaan in relatie tot de afstand van de uitlaatopening tot de wand, waarbij de afstand S/b varieerde van 0 tot ∞. Figuur 1.16 toont stroomlijnen en equipotentiële lijnen voor S/b = 0 en S/b = ∞. De onderzoekers bepaalden snelheidsvelden in het initiële gedeelte van het afvoerkanaal en vergeleken deze resultaten met experimentele gegevens. Er werd voorgesteld om de Borda-formule te gebruiken om de LDC (luchtweerstandscoëfficiënt) te bepalen op basis van de compressie van de luchtstroom binnen het kanaal (δ): ζ = (1/δ – 1)². Voor twee extreme gevallen – het vrije inlaatpijpje (S/b = ∞) en de opening in een oneindige wand (S/b = 0) – varieerde de compressiecoëfficiënt δ van respectievelijk 0,5 naar π/(π+2), en de LDC-waarden varieerden van ζ = 1 tot ζ = 0,405285.

Deze theorie en de toepassing van de CMM-methoden in de ventilatie- en luchtstroommodellen zijn van essentieel belang voor het begrijpen van de luchtweerstand bij complexe geometrieën. DVM's (digitale vortexmodellen) en conforme kaarten hebben zich bewezen als effectieve instrumenten om stromingsproblemen in ventilatiesystemen met complexe inlaten en uitlaten op te lossen. Voorbeelden hiervan zijn onder andere afzuigkappen met een vierkante aansluiting die vrij in de ruimte hangen (Averkova et al. 2013c), of afzuigkappen met ondoordringbare schermen (Logachev et al. 2010a, 2010b; Averkova et al. 2013a, 2013b), of systemen waar de afzuigkap binnen een omhulsel is gemonteerd (Averkova et al. 2007, 2010).

De stroomsituaties die zich voordoen in dergelijke complexe systemen kunnen sterk variëren afhankelijk van de geometrie van de opening. Dit is duidelijk wanneer we de luchtstromen rond zijdelingse afzuigopeningen vergelijken met die van een frontale opening, zoals besproken in de studies van Barkalov et al. (1992) en Saito en Ikohagi (1994). In het geval van een zijdelingse afzuigopening lijkt de luchtstroom sterk op die in een confluente vertakking van een pijp, maar met een belangrijk verschil: de lucht stroomt in een 180° bocht in plaats van de scherpe 90° bocht die bij een T-splitsing optreedt. Dit leidt tot significante verliezen door schokken wanneer de luchtstroom zich mengt met de hoofdstroom.

In de Russische 'Designer’s Handbook' (Barkalov et al. 1992) werden gegevens verzameld voor het ontwerpen van luchtstromen in ventilatiesystemen. Echter, de specificaties voor zijdelingse inlaten zijn beperkt tot een klein bereik van opening- en doorstroomverhoudingen (de verhouding van de opening tot het kanaal is tussen 0,1 en 0,6). De dragwaarden die in dit handboek worden gepresenteerd, zijn niet altijd duidelijk gedocumenteerd, wat kan leiden tot verwarring in de praktijk van het ontwerpen van ventilatiesystemen.

De rol van de luchtweerstandscoëfficiënt (LDC) in dit proces is cruciaal. Zo bepaalt de LDC niet alleen de druk- en snelheidsverdeling in het kanaal, maar beïnvloedt deze ook de efficiëntie van het hele systeem. Bij hogere verhoudingen van opening tot kanaal (F/F) kan de luchtweerstand sterk toenemen, vooral wanneer de opening breder wordt en de luchtstroom verandert van een directe benadering naar een splitstroom langs de wanden van het kanaal. Figuur 1.20a laat duidelijk zien hoe de LDC-waarde afneemt wanneer de verhouding F/F groter wordt dan 0,9, wat wijst op een kwalitatieve verandering in de aard van de luchtstroom.

Wanneer het gaat om het ontwerpen van ventilatiesystemen met complexe geometrieën, zoals afzuigkappen en ventilatiekanalen met zijdelingse inlaten, moeten ingenieurs rekening houden met zowel de theoretische modellen als de experimentele gegevens. Het is van belang om nauwkeurig te begrijpen hoe luchtstromen zich gedragen in verschillende configuraties, vooral in het geval van non-lineaire stromingen die ontstaan door scherpe bochten of onregelmatige openingen. Daarnaast speelt de afstand van de opening tot de doodlopende kant (s/d) een belangrijke rol in de luchtweerstand, zoals aangetoond door Hanzhonkov en Davydenko (1959), waar een scherpe daling van de LDC wordt waargenomen bij grotere afstanden.

Naast de reeds besproken theoretische benaderingen, is het van belang dat de ingenieur zich ook bewust is van de invloed van externe factoren zoals temperatuur, druk en luchtvochtigheid op de luchtstroom en weerstand in ventilatiesystemen. Dit is essentieel voor het creëren van een nauwkeurige en robuuste ontwerpbenadering voor het efficiënte functioneren van ventilatiesystemen in verschillende omgevingen.