Hoe kan de drukverdeling en het verlies aan druk in een luchtkanaal met een kap worden geanalyseerd?

De drukverdeling in een luchtkanaal met een kap kan worden berekend door numerieke simulaties die de specifieke drukverliezen bepalen. In een praktijkvoorbeeld, weergegeven in Tabel 2.1, wordt deze drukverdeling getoond in verschillende secties van een kanaal. De eerste twee kolommen zijn afkomstig van numerieke oplossingen en worden gebruikt om waarden voor specifieke drukverliezen te berekenen.

De tabel bevat de drukwaarden (PT in Pa) en de drukverliezen per meter (R in Pa/m) op verschillende punten in het kanaal, evenals de relatieve verandering in drukverlies (ΔR in %) tussen aangrenzende secties. Deze gegevens laten zien hoe de druk varieert afhankelijk van de locatie in het kanaal en kunnen worden gebruikt om de efficiëntie van luchtstromingen in complexe systemen te evalueren. Het is te zien dat de drukverliezen in het midden van het kanaal nagenoeg lineair zijn, wat resulteert in een constante waarde voor R. De gemiddelde waarde van de specifieke drukval in dit gebied is 5.85 Pa/m, met een maximale afwijking van 2.25%.

Bovendien moeten de drukverliezen in de invloedzones en in de fittingselementen op een vergelijkbare manier worden berekend. Het verschil ligt voornamelijk in het gebruik van een andere initiële drukwaarde voor de berekening, afhankelijk van de numerieke resultaten.

In de praktijk is het belangrijk om niet alleen de numerieke simulaties te vertrouwen, maar ook de experimenten die de gegevens kunnen valideren. Er is vaak een discrepantie tussen de theoretische berekeningen en de werkelijke prestaties van luchtkanalen in operationele omstandigheden. De simulaties geven echter belangrijke inzichten die kunnen worden gebruikt voor het ontwerp en de optimalisatie van luchtkanalenystemen.

Bij het visualiseren van de luchtstromen in twee dimensionale problemen, wordt een vortexzone (VZ) vaak gemodelleerd door middel van stroomlijnen. Dit kan worden gedaan door de “Stream Function” optie in het simulatieprogramma te kiezen, wat de stromingspatronen van de luchtstroom in het kanaal zichtbaar maakt. De VZ wordt begrensd door een zogenaamde ‘vrije’ stroomlijn, die de scheidingszone van de hoofdstroming is. Door de stroomfunctie op deze stroomlijn te plotten, kan men de grenzen van de vortexzone bepalen. Dit is van cruciaal belang voor het begrijpen van de dynamiek van de luchtstroming, aangezien de scheidingslijn de overgang markeert tussen gecontroleerde en ongecontroleerde stromen.

Het verkrijgen van nauwkeurige waarden van de stroomfunctie en het vaststellen van de isolijn van de stroomfunctie is een essentiële stap voor het modelleren van luchtkanalen. Nadat de grens van de vortexzone is bepaald, kunnen de coördinaten van deze lijn worden geëxporteerd uit de software om verder te worden gebruikt in het ontwerp van bijvoorbeeld gevormde ducten of fittingen. De export van deze gegevens kan zelfs worden verfijnd door de punten te decimeren om onnodige gegevens te verwijderen en alleen de relevante coördinaten over te houden.

Hoe wordt de luchtstroomdynamiek in een uitlaatkanaal geoptimaliseerd bij zijdelingse openingen?

In de context van luchtstroomanalyse wordt vaak de vraag gesteld hoe de efficiëntie van ventilatiesystemen kan worden verbeterd door de aerodynamische eigenschappen van uitlaatkanalen te optimaliseren. Dit is van bijzonder belang wanneer we de invloed van zijdelingse openingen, bijvoorbeeld luchtinlaten of uitlaten aan de zijkant van het kanaal, onderzoeken. De keuze van de juiste randvoorwaarden, het aanpassen van het rekensysteem en het zorgvuldig verfijnen van het rekenmodel zijn cruciaal voor het verkrijgen van betrouwbare resultaten.

De numerieke simulaties van luchtstroom in een kanaal beginnen met het definiëren van de randvoorwaarden (BCs). Voor een opening aan de uitlaatzijde wordt de massastroom gedefinieerd als 1 kg/s (met een Reynoldsgetal groter dan 50.000), terwijl voor de vrije grenzen (BC, CD, DE, EF) als drukinlaten een overdruk van nul wordt verondersteld. Bij de wanden (zoals AI, GF, FJ) wordt de randvoorwaarde "wand" toegepast. Het rekengebied heeft de afmetingen van 1 meter in de hoogte en 1,5 meter in de breedte. Voor een specifieke geometrie, met een relatieve opening van h/b = 1,875, wordt dit gebied geïllustreerd in de bijbehorende figuur 3.23. Het begrijpen van deze configuratie is essentieel voor het correct interpreteren van de simulatie-uitkomsten, omdat de precieze dimensies van het kanaal en de bijbehorende openingen grote invloed hebben op het luchtstromingsgedrag.

Voor de simulatie werd ook een speciale maat, de dimensionless distance y+, toegepast, wat noodzakelijk was door het gebruik van verbeterde wandmodellen in de simulatie. Het LDC (Luchtstroomscheidingscoëfficiënt) aan de inlaat wordt berekend volgens de methode die in de documentatie wordt beschreven, en geeft inzicht in de mate van energieverlies door wrijving in het systeem. Deze gegevens helpen bij het bepalen van de efficiëntie van het luchtstroomsysteem en de invloed van de geometrie van de zijdelingse opening op de aerodynamische prestaties.

De resultaten van de meshconvergentie bevestigen dat de keuze van het model leidt tot een oplossing die vrijwel onafhankelijk is van de mate van meshverfijning. Dit betekent dat de LDC-waarde varieerde van 5,44 tot 5,26, wat slechts een kleine verandering van 3% opleverde. Dit toont aan dat verdere verfijning van de mesh de nauwkeurigheid van de berekeningen nauwelijks zou verbeteren, maar dat de fijnste mesh in latere berekeningen gebruikt zou moeten worden om de VZ (stroomscheidingszone) nauwkeurig te bepalen.

Naast de numerieke studie is er ook een experimentele opstelling gebruikt om de VZ’s visueel te observeren. Het systeem omvatte een kanaal met een geslotte opening en een zichtvenster van organisch glas, waardoor de stromingsgedragingen tijdens de experimenten konden worden waargenomen. De afmetingen van de opening kunnen worden aangepast, zodat de invloed van verschillende openingdimensies op de luchtstroom kan worden onderzocht. De resultaten van deze experimenten werden vervolgens vergeleken met de numerieke voorspellingen, wat bijdroeg aan de validatie van het gebruikte model.

Wat betreft de invloed van de openingdimensies op de luchtweerstand, werd de dragcoëfficiënt (ζ) bepaald voor verschillende verhoudingen van de opening h/b. De resultaten tonen aan dat de luchtweerstand toeneemt naarmate de grootte van de opening toeneemt, wat consistent is met de bevindingen van eerdere studies, zoals die van Hanzhonkov en Davydenko. In dit geval werd een empirische benadering gevonden die de luchtweerstand als functie van de openingdimensie beschrijft: ζ = 0,9179 * (h/b)^2 - 0,0184 * (h/b) + 2,0342.

De studie toont verder aan dat de drie-dimensionaliteit van de luchtstroom binnen het kanaal en de complexe stroompatronen die door de opening in de zijwand van het kanaal ontstaan, belangrijk zijn voor het begrijpen van de aerodynamische effecten. In een ronde buis werd bijvoorbeeld een aanzienlijk verschil in de luchtstroompatronen waargenomen, wat resulteerde in een andere dragcoëfficiënt dan in het geval van een rechthoekige buis met een zijdelingse opening.

Hoewel de experimentele gegevens een lichte afwijking vertonen ten opzichte van de numerieke simulaties, toont de algemene trend aan dat grotere openingen de luchtweerstand verhogen. De bevindingen zijn belangrijk voor het ontwerp van ventilatiesystemen, waarbij het optimaliseren van de grootte en het type opening cruciaal is om de luchtstroom te beheersen en energieverliezen te minimaliseren.

Het is belangrijk voor de lezer te begrijpen dat de keuze voor de specifieke geometrie van een kanaal en de openingen niet alleen afhangt van theoretische berekeningen, maar ook van experimentele validatie. De complexiteit van de luchtstroom, vooral wanneer de stroming door zijdelingse openingen in buizen of kanalen wordt geleid, vereist een zorgvuldige benadering om energieverliezen te minimaliseren en de algehele efficiëntie van het systeem te verbeteren.

Hoe beïnvloeden de vorm en de hoek van een afzuigkap de vortexzone en luchtstromen?

De vorm en de hoek van de afzuigkap spelen een cruciale rol in de dynamiek van de luchtstromen die door een ventilatiesysteem bewegen. De vortexzone (VZ), die ontstaat door de luchtstroom die zich van de rand van de kap scheidt, kan aanzienlijke invloed hebben op de efficiëntie van de ventilatie en de algehele prestaties van het systeem. Dit wordt nog complexer wanneer de kap wordt geconfigureerd met verschillende lengtes van de flens en variërende hoeken van kanteling, wat resulteert in verschillende geometrische patronen van de vortexen.

De basisvergelijkingen die de VZ beschrijven, zijn afgeleid van numerieke simulaties die gebruikmaken van de DVM (Discrete Vortex Method) en CFD (Computational Fluid Dynamics). Deze methoden bieden inzicht in hoe de stroom zich gedraagt in de buurt van de rand van de kap en de ductverbinding, wat bijzonder nuttig is voor het ontwerpen van efficiënte afzuigsystemen. Door de dimensies van de afzuigkap te vergelijken met de resultaten van de numerieke modellen, kan men betrouwbare benaderingen verkrijgen voor de VZ-grenzen en de effecten van de kapconfiguratie.

Wanneer de flens van de kap een grotere kantelhoek heeft, neemt de VZ in lengte toe, wat de complexiteit van de luchtstroom verhoogt. In dit geval strekt de vortex zich verder de duct in, wat kan leiden tot een inefficiënter afzuigsysteem. Daarentegen, wanneer de kantelhoek wordt verminderd tot bijvoorbeeld 30°, is de vortexzone veel kleiner en minder zichtbaar, wat kan duiden op een verbetering van de luchtcirculatie in het systeem. Dit resultaat suggereert dat de afzuigkapontwerpen met een kleinere kantelhoek mogelijk gunstiger zijn voor specifieke toepassingen waar luchtstroomoptimalisatie essentieel is.

De VZ-dimensies, zoals de diepte en de lengte, variëren ook afhankelijk van de geometrie van de afzuigkap en de specifieke flowcondities. Experimentele en numerieke gegevens tonen aan dat de grootste veranderingen optreden bij een kantelhoek van 60° tot 90°, terwijl kleinere hoeken een meer consistente vortexgrens opleveren. De onderlinge relatie tussen de afmetingen van de VZ en de hoek van de flens is duidelijk en laat zien dat de geometrie van de kap direct invloed heeft op het gedrag van de luchtstroom.

Bij het gebruik van CFD voor het modelleren van de vortexstromen, werd vastgesteld dat de tweede VZ, die ontstaat bij de verbinding van de afzuigkap met de duct, ook van cruciaal belang is voor het begrijpen van de luchtstroomdynamiek. Deze vortex is moeilijker te modelleren, maar zowel CFD als DVM bieden waardevolle inzichten door te vergelijken hoe goed de vortexgrenzen worden voorspeld door numerieke simulaties in vergelijking met experimentele gegevens.

In de praktijk kunnen de voorspellingen van CFD het meest nauwkeurig zijn bij het lokaliseren van het punt waarop de luchtstroom zich aan de binnenwand van de duct hecht. Dit punt speelt een sleutelrol in de effectiviteit van het systeem, vooral wanneer de afzuigkap een scherpe rand heeft die de luchtstroom verstoort en deze doet afbuigen. Dit kan leiden tot een afname van de afzuigcapaciteit en een verhoogde belasting van het ventilatiesysteem.

Bij het analyseren van de weerstand in het systeem, wordt de drag-coëfficiënt (LDC) als maatstaf gebruikt. Door de LDC te berekenen op basis van zowel numerieke als experimentele gegevens, kan men de efficiëntie van het systeem beoordelen. De resultaten tonen aan dat de drag-coëfficiënt afhangt van zowel de lengte van de flens als de hoek van de opening van de afzuigkap. Dit blijkt met name bij een afzuigkap zonder conische vorm, waarbij de LDC bij een hoek van 0° dicht bij de waarde van 1 ligt, wat overeenkomt met de situatie van een vrijstaande buis.

Naast de impact van de geometrie van de afzuigkap op de vortexzone en de luchtstroom, is het belangrijk te begrijpen hoe deze factoren ook van invloed kunnen zijn op de energieverliezen in het systeem. De toename van de weerstand als gevolg van veranderende vortexdimensies kan leiden tot hogere energiekosten voor de ventilatie, wat een belangrijke overweging is bij het ontwerp van efficiënte ventilatiesystemen. De relatie tussen de kantelhoek, de vortexdimensies en de weerstand in het systeem kan dus niet alleen de prestaties van de afzuigkap verbeteren, maar ook bijdragen aan een duurzamer en kostenefficiënter ontwerp.