Hoe Shaped Hoods de Luchtstroom en Energieverbruik in Lokale Ventilatiesystemen Verbeteren

De toepassing van gevormde uitlaatkappen in lokale ventilatiesystemen heeft aangetoond aanzienlijke voordelen te bieden in termen van zowel de luchtstroom als energieverbruik. Dit is met name belangrijk voor toepassingen waarbij luchtverontreiniging effectief moet worden afgevoerd, zoals in industriële omgevingen of laboratoria. Door het gebruik van deze hoods kan het rendement van het ventilatiesysteem verbeteren zonder de noodzaak voor verhoogde motorvermogens, wat leidt tot besparingen op lange termijn.

De effectiviteit van gevormde hoods wordt doorgaans gemeten door de luchtdrukken die zich binnen en rond de uitlaat vormen. Verschillende parameters zoals de statische en totale druk worden gemeten met behulp van drukminiprobes, waarbij het doel is om de luchtstroomgedrag in de buurt van de uitlaatopening te analyseren. Dit onderzoek maakt gebruik van dergelijke metingen voor zowel gebroken als rechte gevormde hoods, zoals weergegeven in de tabellen en figuren uit eerdere studies. De belangrijkste conclusie is dat, wanneer de lengte van het kanaal (l) ten opzichte van de diameter (D) klein is, de drag-coëfficiënt (LDC) een aanzienlijke daling vertoont. Dit is een indicatie dat in deze gebieden van het systeem de luchtstroom scheidt van het oppervlak van de uitlaatkap, wat leidt tot een lagere weerstand.

De metingen van de LDC-waarden voor zowel de gebroken als de rechte hoods bevestigen deze daling. Dit wordt verder ondersteund door de numerieke simulaties die vergelijkbare LDC-waarden voor beide gevallen berekenen. De LDC-waarden voor de gebroken kap bij l / D ≈ 4 kwamen uit op 0,034, terwijl de rechte kap een waarde van 0,011 vertoonde. De experimenten en de numerieke gegevens tonen aan dat de vermindering van de LDC aanzienlijk bijdraagt aan het verminderen van de drag van het uitlaatsysteem, wat vervolgens resulteert in een toename van de luchtstroom. Dit betekent dat voor een constante ventilatorsnelheid het gebruik van een gevormde uitlaatkap de luchtstroom kan verhogen, wat de effectiviteit van de contaminant capture vergroot.

De invloed van de gevormde hoods op de ventilatorprestaties kan ook leiden tot een verminderd energieverbruik. Door de verminderde drag kan de ventilatorsnelheid verlaagd worden zonder dat de gewenste luchtsnelheid verloren gaat, wat zorgt voor een lager energieverbruik. In experimenten met een CK 160-C ventilator werd aangetoond dat de geïnstalleerde gevormde hoods de luchthoeveelheid die werd afgevoerd met respectievelijk 21,6% voor de gebroken kap en 20,2% voor de rechte kap verhoogde. Dit werd behaald door de verhoogde efficiëntie van het ventilatiesysteem, wat impliceert dat minder vermogen nodig is om dezelfde prestaties te leveren. Dit biedt op de lange termijn een significante kostenbesparing op energie.

Bovendien maakt de installatie van deze gevormde uitlaatkappen het mogelijk de drukverlieskarakteristieken van het systeem te verbeteren. De verminderde drukval in het systeem, zoals gedemonstreerd in de berekeningen van de drag-coëfficiënt, zorgt voor een lager energieverbruik bij constante ventilatorsnelheden. De experimenten lieten een vermindering van het verbruikte vermogen van de ventilator met 13,7% zien, wat een aanzienlijke besparing in elektriciteit kan opleveren.

Het concept van de LDC en de invloed van gevormde hoods op het ventilatiesysteem heeft belangrijke implicaties voor de ontwerppraktijken van uitlaatsystemen. Wanneer er gebruik wordt gemaakt van deze hoods, kan het ontwerp van ventilatiesystemen efficiënter worden, wat zowel de operationele kosten verlaagt als de algehele prestaties verbetert. Dit maakt het mogelijk om efficiëntere, duurzamere en kosteneffectievere ventilatieoplossingen te creëren.

Bovendien moet de lezer zich realiseren dat de nauwkeurigheid van de metingen en de afstemming van numerieke simulaties op de werkelijke omgevingscondities cruciaal is. De experimenten tonen aan dat de fouten in de metingen en de opzet van het laboratoriumresultaat vaak van dezelfde orde van grootte zijn als de berekende LDC-waarden, waardoor de noodzaak voor zorgvuldige kalibratie en evaluatie van de systemen duidelijk wordt. Inzicht in de complexe interacties tussen de luchtdruk, de luchtstroom en de specifieke geometrieën van de uitlaatkap is essentieel voor het verbeteren van de prestaties van ventilatiesystemen op een kosteneffectieve manier.

Hoe Beïnvloeden Grensvoorwaarden en Netwerkresolutie de Prestaties van Uitlaatkappen in CFD-simulaties?

Bij het ontwerpen en simuleren van complexe uitlaatkappen voor ventilatiesystemen, zoals de toepassing van geavanceerde Computational Fluid Dynamics (CFD)-technieken, is het van cruciaal belang om de invloed van de randvoorwaarden (BCs) en de netwerkresolutie op de stroomsimulaties goed te begrijpen. Dit hoofdstuk bespreekt de methoden voor het optimaliseren van de simulatie van uitlaatkappen, met bijzondere aandacht voor de rol van de roostermethoden en de effectiviteit van verschillende rekentechnieken.

Een van de eerste stappen in een CFD-simulatie van een uitlaatkap is het correct instellen van de grensvoorwaarden. Zo is de "pressure inlet" met nul overdruk ingesteld om verre grenzen na te bootsen, wat de invloed van de randvoorwaarden op de stroom door de kap onderdrukt. Dit wordt vaak gedaan in de vorm van een toegewezen gebied met specifieke afmetingen, bijvoorbeeld een gebied met een lengte van 1 m en een breedte van 0,6 m. Deze aanpak helpt om de effecten van onverwachte grensinvloeden op de stroomsimulatie te minimaliseren, zodat de focus ligt op de werkelijke dynamiek van de luchtstromen in de kap. Tegelijkertijd worden verschillende simulatiemodellen getest, zoals het standaard k–ε-model, de SST k–ω-modellen en het Reynolds Stress Model (RSM), elk met hun eigen specifieke voordelen afhankelijk van de situatie.

Voor de simulatie van de grenslaag, die van invloed is op de weerstand binnen het kanaal, worden twee aanpassingen van de wandfunctie onderzocht: de "standard wall function" (SWF) en de "Enhanced wall treatments" (EWT). Het gebruik van geavanceerdere wandbehandelingen zoals EWT zorgt ervoor dat de simulatie nauwkeuriger de effecten van de luchtweerstand op de ductwanden weergeeft. Dit heeft gevolgen voor de precieze berekeningen van bijvoorbeeld de luchtwervels in de buurt van de uitlaatkap, een belangrijk kenmerk bij het ontwerp van ventilatiesystemen.

Naast het kiezen van de juiste grensvoorwaarden en wandmodellen, is de netwerkresolutie (grid resolution) een andere belangrijke factor die invloed heeft op de nauwkeurigheid van de simulatie. In de beschreven studie werd een grid afgedekt met een uniforme 25 mm celgrootte. Vervolgens werd het grid in drie fasen verfijnd, met acht verdere verfijningsstappen in de zone van de uitlaatkap en langs de vaste grenzen. Dit stelt de onderzoekers in staat om de precisie van hun simulaties te verbeteren, waarbij cellen met zeer kleine afmetingen worden gebruikt in de kritieke zones van de simulatie. Het gebruik van een fijnmaziger grid zorgt ervoor dat er een nauwere benadering van de werkelijke fysieke omstandigheden wordt bereikt, wat de betrouwbaarheid van de resultaten verhoogt.

De simulatie werd gevalideerd door vergelijking met experimentele gegevens, waarbij de waarde van de LDC (Loss Coefficient) werd berekend door de totale en dynamische drukken op verschillende punten langs de uitlaatkap te meten. Het bleek dat de simulaties het experiment goed weerspiegelden, vooral wanneer de Reynolds Stress Model (RSM) in combinatie met de Enhanced Wall Treatments (EWT) werd gebruikt. Dit gaf aan dat de simulatieresultaten adequaat waren voor het bestuderen van de luchtstromen en de effecten van de geometrie van de kap op de prestaties.

Bij het vergelijken van de resultaten van CFD-simulaties met experimentele gegevens werd duidelijk dat, hoewel de resultaten bij een grotere afstand van de ondoorzichtige plaat naar de uitlaatkap convergeren naar die van een onbelemmerd ontwerp, het instellen van de juiste afstanden en geometrieën in de simulaties essentieel is voor het verkrijgen van accuraat representatieve resultaten. Zo is het effect van de plaat op de stroomlijnen van de lucht nog duidelijk zichtbaar bij een afstand van 2,5 maal de straal van de uitlaatkap, wat de noodzaak benadrukt voor het zorgvuldig afstemmen van de simulatieparameters.

Om nauwkeurige simulatieresultaten te verkrijgen, moet men rekening houden met de invloed van verschillende variabelen, zoals de afstand tussen de plaat en de uitlaatkap, de precisie van de netwerkresolutie en de gekozen grensvoorwaarden. De mogelijkheid om experimenten en simulaties te combineren stelt ingenieurs in staat om robuuste en efficiënte uitlaatkappen te ontwerpen, die voldoen aan de vereiste luchtstromen en energiebeperkingen.

Het is van belang te begrijpen dat de juiste keuze van simulatiemodel en netwerkresolutie verder gaat dan louter het verbeteren van de simulaties. Het beïnvloedt de interpretatie van de prestaties van uitlaatkappen in complexe ventilatiesystemen. Het is niet alleen een kwestie van het kiezen van de juiste parameters, maar ook van het verkrijgen van een grondig inzicht in hoe deze de dynamica van de luchtstromen beïnvloeden. De simulaties moeten worden gezien als een aanvulling op empirische gegevens en kunnen helpen bij het voorbestemmen van ontwerpoptimalisaties voor verschillende toepassingen van uitlaatkappen in industriële ventilatiesystemen.

Hoe kunnen we de vorm van scheidingszones en de axiale snelheid in luchtstromen rond ventilatieopeningen bepalen?

In recente studies over luchtstromen naar ventilatieopeningen, is het duidelijk geworden dat conventionele numerieke methoden, hoewel effectief, vaak kostenintensief zijn en aanzienlijke rekenkracht vereisen. In contrast hiermee biedt de klassieke methode van superpositie van stromen (CMM) een alternatieve benadering die dezelfde, en in sommige gevallen zelfs betere, resultaten oplevert, maar met aanzienlijk minder rekenlast. Het is echter belangrijk te vermelden dat de berekeningen die met de CMM worden uitgevoerd, geen gedetailleerde informatie verschaffen over de contouren van de scheidingszone (VZ) of de weerstand van uitlaatopeningen.

De discrete vortexmethode (DVM) kan worden beschouwd als een verdere ontwikkeling van de methode van stroomsuperpositie. Bij deze techniek worden punt- of lineaire wervels, waarvan de intensiteiten bepaald worden door de opgegeven randvoorwaarden, gebruikt om de grenzen van het rekengebied te discretiseren. Dit maakt het vervolgens mogelijk om de stromingsparameters binnen dit gebied te berekenen. De DVM heeft zich bewezen in gevallen waarin de stroming naar uitlaatopeningen wordt bestudeerd, bijvoorbeeld in situaties waarbij de vorm van de scheidingszone bepaald moet worden.

De theoretische benadering gaat ervan uit dat er geen beweging is binnen de scheidingszone en dat de druk daar constant blijft. Dit leidt tot de conclusie dat de druk langs de grenslijn van de scheidingszone, ook wel de "vrije stroomlijn" genoemd, constant moet zijn. Aangezien de tangentiële snelheid op deze lijn ook constant is, kan de vorm van deze grenslijn worden bepaald via de theorie van complexe variabele functies. Dit maakt het mogelijk om relaties te identificeren die niet alleen de benaderingssnelheid naar de openingen beschrijven, maar ook de vorm van de respectieve vrije stroomlijn in het fysieke domein.

Een aantal studies heeft zich gericht op de stroming naar specifieke typen uitlaatopeningen. Zo hebben Maklakov en Posohin (2004) de vorm van de vrije stroomlijn rondom een sleufuitlaat bestudeerd, en ontdekten dat bij een specifieke parameterwaarde de resultaten het dichtst bij de experimentele gegevens kwamen. Posohin en collega's (2002a, 2002b, 2002c, 2003) hebben verder onderzoek gedaan naar de stroming naar slotted afzuigkappen, waarbij verschillende geometrieën, zoals de zogenaamde "korte" en "lange" kappen, werden geanalyseerd. In dit onderzoek werd ook gekeken naar de relatie tussen de lengte van de scheidingszone en de afmetingen van de kap, evenals de verdeling van de axiale snelheid binnen de stroming.

Bijvoorbeeld, bij de studie van een afzuigkap met een kortere flens wordt waargenomen dat de eerste scheidingszone, veroorzaakt door de breuk van de stroming bij de scherpe rand van de flens, samenkomt met de VZ die ontstaat bij de breuk van de stroming bij de aansluiting van de flens met het kanaal. Dit resulteert in een complexere VZ die moeilijker te modelleren is, maar waarvoor nieuwe technieken zijn ontwikkeld om de axiale snelheid en andere stromingsparameters te berekenen.

Het onderzoek van Logachev en Logachev (2005) biedt een gedetailleerd overzicht van methoden voor het berekenen van de VZ-vorm en de variatie van axiale snelheden bij verschillende flenshoeken en afmetingen van de uitlaatopeningen. Hierbij werd de DVM gebruikt om de vorm van de scheidingszone en de axiale snelheid voor een ronde uitlaatinlaat te berekenen. Bij de studie van de stroomsnelheid rond een sleufafzuigkap, werd de effectiviteit van de DVM en andere analytische benaderingen bevestigd door een consistente overeenstemming met experimentele gegevens.

Daarnaast heeft een experiment van Fletcher (1977) de axiale snelheidsverdeling onderzocht voor rechthoekige uitlaatopeningen met variërende verhoudingen van breedte tot lengte. De resultaten van dit experiment werden geanalyseerd met behulp van een benaderingsformule die de effectiviteit van de stroomsnelheidsmodellen verder bevestigde. Hetzelfde geldt voor verschillende numerieke simulaties, zoals die uitgevoerd door Kulmala (1993) en Chen (2018), waarbij de verdeling van de axiale snelheid wordt vergeleken met eerdere theoretische voorspellingen.

De betekenis van deze studies ligt niet alleen in de verbetering van de modellering van luchtstromen rond ventilatieopeningen, maar ook in het vermogen om de vorm en de grootte van de scheidingszones nauwkeuriger te voorspellen. Dit is essentieel voor het ontwerp en de optimalisatie van ventilatiesystemen, waarbij de efficiëntie van luchtstromen en het minimaliseren van turbulentie cruciale factoren zijn.

Het is van belang voor de lezer te begrijpen dat de toepassing van deze methoden – of het nu gaat om de CMM, DVM of numerieke simulaties – niet altijd eenvoudig is. Elk type model heeft zijn beperkingen, vooral wanneer de geometrie van de uitlaatopeningen complexer wordt. Desondanks biedt de combinatie van analytische, numerieke en experimentele benaderingen een krachtig instrumentarium voor het ontwerpen van efficiënte ventilatiesystemen, waarbij de invloed van verschillende ontwerpkenmerken op de prestaties van het systeem beter begrepen wordt.