Hoe Vortex Zones (VZ) Beïnvloeden van de Luchtweerstand bij Vormgeving van Uitlaatkappen

In de studie van stromingsgedrag rondom ronde uitlaatkappen is gebleken dat het voorkomen van Vortex Zones (VZ) helpt om de terugstroming van verontreinigingen te voorkomen. Wanneer de vormgeving van de uitlaatkap plaatsvindt zonder de verplaatste gebieden aan te passen, is het niet mogelijk om de omtrek van de tweede VZ, die is bepaald met behulp van DVM, toe te passen. In dit geval wordt de omtrek bepaald via numerieke simulaties op basis van Computational Fluid Dynamics (CFD), waarbij ook de eerste VZ wordt meegenomen.

Bij het aanpassen van de uitlaatkap langs de omtrek van VZ's, zoals bepaald door CFD-simulaties, wordt de vorming van secundaire VZ’s waargenomen. Deze secundaire zones zijn aanzienlijk kleiner dan de primaire VZ, en bij verdere aanpassing langs de secundaire VZ ontstaat een cascade van VZ's, wat betekent dat met elke stap in de vormgeving een nieuwe, kleinere vortex ontstaat. Dit fenomeen heeft niet alleen invloed op de luchtweerstand, maar beïnvloedt ook de algehele efficiëntie van de uitlaatkap.

Er is ook waargenomen dat bij het aanpassen van een uitlaatkap met een flenslengte van 1R en een openingshoek van α = 90° de benaderende luchtstroom twee VZ's vormt. Het verder vormgeven langs beide VZ's resulteert in een LDC van 0,237, wat 43,7% lager is dan de LDC van de onbewerkte ontwerp. Wanneer de secundaire VZ's worden onderzocht, blijkt dat de luchtweerstand met maar liefst 61,5% kan worden verminderd door de vormgeving, met een resulterende LDC van 0,162. De impact van het vormgeven langs de eerste secundaire VZ alleen leidde tot een afname van 17,8% in de luchtweerstand.

Het proces van het aanpassen van de flenshoek van de kap naar 0° veroorzaakt, net als de eerder genoemde gevallen, een cascade van VZ's. In dit scenario leidt het aanpassen langs de eerste VZ tot een secundaire VZ en wordt de LDC verder verlaagd tot 0,461, wat een extra vermindering van 15,5% oplevert. Dit benadrukt de effectiviteit van het vormen langs secundaire VZ's, al is de efficiëntie ervan sterk afhankelijk van de flenslengte en de hoek van de flens.

De relatie tussen LDC en het vormgeven van een kap langs twee VZ's is ook geïdentificeerd. In het geval van een kap met een flenslengte van 1R en een hoek α = 90°, resulteert het aanpassen langs de eerste VZ in een vermindering van 16% in LDC, terwijl het aanpassen langs de tweede VZ de LDC met maar liefst 47,6% verlaagt. Het combineren van beide aanpassingen resulteert in een totale afname van 52,6% in de luchtweerstand. Dit benadrukt het belang van de tweede VZ bij het verminderen van de luchtweerstand, terwijl de eerste VZ nog steeds nuttig is voor het voorkomen van terugstroming van schadelijke stoffen, wat cruciaal is voor het ontwerp van lokale afzuigsystemen.

Wanneer de LDC van een gevormde kap wordt bestudeerd, blijkt deze vrijwel onafhankelijk te zijn van de flenslengte, maar sterk afhankelijk van de hoek van de flens. Het effect van de flenshoek op de luchtweerstand is meer uitgesproken bij hogere hoeken (boven de 30°), aangezien de VZ groter wordt naarmate de hoek toeneemt. De gegevens tonen aan dat de efficiëntie van de vormgeving het grootst is bij flenshoeken van 90°, waarbij de luchtweerstand met 41,7% wordt verminderd. Bij flenshoeken van 30° is de efficiëntie echter minimaal, wat duidt op de afnemende effectiviteit van verdere aanpassingen bij kleinere hoeken.

Hoe beïnvloedt de aanpassing van het rekennetwerk de nauwkeurigheid van numerieke simulaties bij plotselinge uitbreidingen?

Bij het uitvoeren van numerieke simulaties van stromingen, vooral in complexe geometriën zoals plotselinge uitbreidingen, speelt de verfijning van het rekennetwerk een cruciale rol in het verkrijgen van betrouwbare resultaten. In deze context wordt het proces van mesh-adaptatie (aanpassing van het rekennetwerk) toegepast om de kwaliteit van de simulatie te verbeteren, met name in de gebieden waar de stroming sterk varieert, zoals de vorming van vortexzones (VZ) en grenslaagmodellen.

De basis voor de mesh-adaptatie is een initiële mesh, die de meest grove versie is en meestal een minimum celgrootte van 0,025 m heeft, bestaande uit ongeveer 510 cellen. Tijdens de verschillende stadia van de aanpassing wordt de waarde van de LDC (Luchtwervelscheidingscoëfficiënt) bepaald, en het gedrag van deze waarde wordt verder geanalyseerd. Het is essentieel om te zorgen dat het rekennetwerk de stroming correct kan simuleren, vooral in de buurt van vaste grenzen en bij de vorming van vortexzones. De eerste stadia van meshverfijning worden uitgevoerd over het gehele rekengebied om ervoor te zorgen dat de hoofdstroming correct wordt geregistreerd, inclusief het gebied waar de vortexzone zich ontwikkelt. Verdere verfijning wordt uitgevoerd nabij de vaste grenzen om de grenslaag correct te simuleren.

De effectiviteit van de aanpassing van het rekennetwerk wordt geïllustreerd in de analyse van de convergentie van het rekennetwerk, waar verschillende modellen worden vergeleken in termen van hun reactie op de variërende waarden van y* of y+. De resultaten tonen aan dat de keuze van het model van invloed is op de stabiliteit van de LDC-waarden tijdens het aanpassingsproces. Modellen zoals de SKE (Spanning-Kritisch-Energie) SWF en RSM (Reynolds Stress Model) SWF vertonen aanzienlijke schommelingen in de LDC-waarden bij lage y* of y+ (minder dan 10), wat aangeeft dat standaard wandfuncties niet geschikt zijn voor zeer fijne meshes. Aan de andere kant vertonen andere modelcombinaties een meer stabiel gedrag, met een variatie van slechts 2,5% in de LDC-waarden, wat duidt op een meer robuuste benadering voor het modelleren van de stroming bij fijne meshes.

De analyse van de contouren van vortexzones, weergegeven in de afbeelding van het rekennetwerk, toont aan dat de VZ-lengtes voor de SKE- en RSM-modellen dicht bij elkaar liggen, maar dat de VZ-contouren “fysieker” zijn bij het gebruik van het SKE-model. De scherpere afsluiting van de vortexzone bij het gebruik van het RSM-model is een interessant detail, wat suggereert dat het RSM-model wellicht beter geschikt is voor het simuleren van bepaalde stromingskenmerken, zoals vortexvorming langs wanden.

Bovendien is het belangrijk te beseffen dat de numerieke simulaties niet alleen het gedrag van de vortexzones maar ook andere parameters van de stroming kunnen voorspellen, zoals de invloed van de plotselinge uitbreiding op de stromingsdynamiek. Door de geometrie van de plotselinge uitbreiding te variëren (zoals de verhouding b/b₀), kunnen we de invloed van de uitbreiding op de LDC en VZ-contouren onderzoeken. Numerieke resultaten tonen een uitstekende overeenstemming met analytische formules, met een afwijking die niet groter is dan 11%, wat de validiteit van het numerieke model verder onderstreept.

Een ander belangrijk punt is het identificeren van de invloedzones (IZ), zowel stroomopwaarts als stroomafwaarts van de plotselinge uitbreiding. De IZ stroomopwaarts is meestal erg klein en heeft weinig variatie afhankelijk van de mate van uitbreiding, terwijl de IZ stroomafwaarts aanzienlijk langer is en sterk afhankelijk is van de mate van uitbreiding. De lengte van deze invloedzones varieert tussen 10 en 40 keer de meetafstand, afhankelijk van de mate van uitbreiding. Dit benadrukt het belang van een nauwkeurige simulatie van deze gebieden om het volledige effect van de geometrische veranderingen in de ducten te begrijpen.

Het gebruik van een gestructureerd en verfijnd rekennetwerk, in combinatie met de juiste modellering van grenslagen en vortexzones, biedt cruciale inzichten in de stromingsdynamica bij plotselinge uitbreidingen. Bij het modelleren van deze gecompliceerde stromingselementen moeten de simulaties zorgvuldig worden gecontroleerd op meshafhankelijkheid, en moeten de resultaten worden gevalideerd met bekende gegevens om te zorgen voor de fysische nauwkeurigheid van het model.