Studier av luftstrømmer i ventilasjonskanalsystemer har pågått i flere tiår, og over tid har det blitt utviklet mer sofistikerte metoder for å analysere og simulere disse prosessene. En stor del av forskningen har fokusert på strømningens turbulens, trykktap og drag i elementer som knekk, tees og ventiler, som alle er vanlige komponenter i ventilasjonssystemer. Disse fittingene er kjent for å forårsake trykktap, som er en konsekvens av den lokale strømningens natur i disse områdene. Slike trykktap kan deles inn i to hovedkategorier: funksjonelle og ikke-funksjonelle tap.

Funksjonelle trykktap er relatert til formålet med komponenten, for eksempel at en knekk forårsaker en endring i strømningens retning, mens en konfuser forårsaker en innsnevring av strømningen. Tilsvarende kan tee-elementer dele eller blande luftstrømmer. Disse tapene er nødvendige for at systemet skal fungere, men det er mulig å redusere dem ved hjelp av vanlige teknikker som bruk av vaner i knekker for å rette ut deformasjonen som oppstår når luften endrer retning. Ikke-funksjonelle trykktap, derimot, skyldes aerodynamiske imperfeksjoner i komponentene, som for eksempel skjerpete kanter som skaper virvler (separasjonssoner) og konsekvente energitap for å opprettholde disse virvlene.

En viktig del av forståelsen av disse ikke-funksjonelle trykktapene er å vurdere hvordan slike virvler oppstår og hvordan de påvirker strømningen. Et velkjent eksperiment som ble utført av Gibson i 1908 studerte draget i den plutselige ekspansjonen av en rund kanal, hvor ekspansjonsgraden var 10,96. Resultatene fra denne studien viste en god overensstemmelse med de teoretiske formlene for strømningens egenskaper, selv om det ble registrert noen avvik på grunn av ujevnt trykk over tverrsnittet. Dette fenomenet, med separasjonssone og virvler som dannes i forbindelse med plutselig ekspansjon eller innsnevring, er et sentralt fokus i både eksperimentelle og numeriske studier av luftstrømmer i ventilasjonssystemer.

Turbulens, og spesielt strømningsskiller, har vært et viktig område for forskning. Bruken av forskjellige metoder som termisk anemometri, pulsasjonstrådprober og laser-doppler velocimeter (LDV) har gjort det mulig å studere detaljerte strømningsegenskaper, som hastighetsfeltene, pulsasjoner, kinetisk energi og skjærspenning. For eksempel viste Armaly et al. (1983) at med et Reynolds-tall (Re) på 7200, var lengden på virvelsonen relativt lang, med et forhold på l/h = 7,6, hvor h er høyden på trinnet som forårsaket ekspansjonen.

Videre har flere studier brukt numeriske simuleringer for å evaluere strømningsegenskapene i systemer med bakovervendte trinn eller plutselige ekspansjoner. Moallemi og Brinkerhoff (2016) utførte simuleringer for å undersøke overgangen fra laminær til turbulent strømning, mens Fomin og Fomina (2017) benyttet numeriske metoder for å studere virveldannelsen nedstrøms et bakovervendt trinn. Deres resultater viser at virvelsonens lengde kan være betydelig, og at størrelsen på virvelsonen påvirkes sterkt av strømningshastigheten og trinnets geometri.

I tillegg til de numeriske simuleringene er det også fokusert på å forbedre designet av ventilasjonskanalfittings for å redusere trykktap og energitap. En metode som har blitt foreslått for å redusere ikke-funksjonelle trykktap er å endre formen på de skarpe kantene som forårsaker virveldannelse. Denne formen kan utformes langs virvelsonens omriss, slik at man unngår betydelig økning i komponentenes størrelse, noe som ellers ville vært et hinder for praktisk bruk. Denne tilnærmingen gjør det mulig å redusere energitap uten å gjøre komponentene betydelig større.

Til tross for fremgangen i forskning på turbulens, virveldannelse og trykktap, er det fortsatt sjelden å finne studier som eksplisitt undersøker geometrien til virvelsoner og deres forhold til strømningshastigheter i detaljer. Det er heller ikke vanlig å finne forskning som direkte tar sikte på å forbedre kanalfittings for å redusere drag. Det er derfor et fortsatt behov for utvikling av mer presise designmetoder som tar hensyn til både aerodynamisk effektivitet og praktisk produksjon.

Slike forbedringer kan oppnås gjennom bedre forståelse av hvordan virvelsoner utvikler seg og interagerer med strømningshastigheten. Ved å optimalisere geometri og design, kan man oppnå betydelige reduksjoner i energitapene i ventilasjonskanalsystemer, noe som vil bidra til mer energieffektive bygninger og industrielle prosesser.

Hvordan verifisere og validere numeriske simuleringsmodeller innen strømningsdynamikk

I moderne ingeniørarbeid, spesielt innenfor strømningsdynamikk, er nøyaktigheten av numeriske simuleringer essensiell. Beregninger av fluidstrømmer som involverer varme- og masstransport, kjemiske reaksjoner og lignende prosesser krever sofistikerte verktøy og metoder, som for eksempel Computational Fluid Dynamics (CFD). Et av de mest brukte verktøyene innen CFD er Ansys Fluent, som tilbyr avanserte funksjoner for simuleringsprosesser. Dette programmet benytter en rekke fysiske modeller og metoder for å løse komplekse strømningsproblemer.

Den første fasen i en numerisk simulering innebærer konstruksjon av beregningsnettverk, også kjent som et mesh. Meshen må tilpasses geometrien til problemet og lages så jevn som mulig, gjerne ved bruk av kvadratiske celler. Størrelsen på cellene er valgt for å muliggjøre påfølgende "gitteravhengighetsstudier", som er nødvendige for å forstå hvordan løsningen kan variere med et finere eller grovere mesh.

Etter at geometrien er definert og importert til løsningen, velges de relevante fysiske modellene som for eksempel turbulensmodeller, veggfunksjoner, og termofysiske egenskaper som luftens tetthet, som er spesielt viktig for ikke-isotermiske problemer. Deretter settes randbetingelser (BCs), og en iterativ prosess startes, hvor programmet løser et sett med differensialligninger som representerer bevegelsesligninger, turbulensmodellen og, ved behov, energiutvekslingsligningen og strålingsoverføringsmodellen.

En viktig del av en vellykket numerisk simulering er å sikre at modellen er både verifisert og validert. Verifikasjon refererer til prosessen der man vurderer nøyaktigheten av den numeriske løsningen i forhold til den underliggende matematiske modellen. Denne prosessen skjer på to nivåer: først gjennom verifikasjon av programvarekoden (som er ansvarlig for riktig utførelse av algoritmer), og deretter gjennom verifikasjon av de numeriske beregningene (den numeriske løsningen av den matematiske modellen). Verifikasjon utføres ved å sammenligne resultatene av beregningene på to nettverk som har cellestørrelser som er halvert.

En annen viktig prosess i numerisk modellering er tilpasning av beregningsnettverket. Mesh-tilpasning er en metode hvor cellestørrelsen reduseres for å oppnå mer nøyaktige løsninger i bestemte områder av modellen, spesielt i områder der endringer i egenskaper som hastighet eller trykk er store, som ved kanter på kanaler eller når strømmen brytes av fra en skarp kant. Mesh-adaptasjon bør først utføres i de områdene hvor endringene er størst, og deretter kan tilpasningen forfinet langs faste grenser, som vegger eller kanter, for å simulere trykkfall nøyaktig.

Verifikasjonsprosessen innebærer å identifisere det punktet hvor forskjellen mellom løsningen på et grovere og et finere mesh er under en forhåndsbestemt terskel, vanligvis 1–2%. Dette kalles ofte mesh-konvergensestudie. Det er avgjørende at alle referanseparametere, som brukes til å vurdere mesh-tilpasning, er valgt på en måte som reflekterer de faktiske fysiske forholdene som undersøkes. En vanlig referanseparameter for slike studier kan være en dimensjonsløs avstand fra veggen, y+ (eller y*), som bestemmer hvordan godt mesh-enhetene fanger opp nærveggsstrømninger og trykkfall.

Validisering, på den annen side, refererer til prosessen hvor man vurderer hvorvidt den numeriske løsningen samsvarer med de fysiske realitetene av fenomenet som simuleres. Dette kan kun oppnås ved å sammenligne simuleringsresultatene med resultater fra fysiske eksperimenter, under identiske betingelser. For eksempel, kan noen randbetingelser som brukes i numeriske simuleringer, som den første typen BC med jevnt fordelte parametere, være urealistiske. Dette må tas i betraktning under validiseringen.

Ved simulering av luftstrømninger i ventilasjonssystemer er det spesielt viktig å sørge for at både turbulensmodellene og modellene som simulerer strømninger nær veggen er riktig valgt og validert. I slike tilfeller blir validisering prosessen hvor den numeriske løsningen sammenlignes med eksperimentelle data som gir en pålitelig referanse. Det er da mulig å vurdere om løsningen er uavhengig av meshenes størrelse, og om den på en realistisk måte simulerer det fysiske fenomenet.

For å sikre pålitelige resultater fra CFD-simuleringer, er det avgjørende å ha en grundig forståelse av både verifikasjons- og validiseringsprosesser. Dette innebærer å bruke passende modeller, utføre nødvendige mesh-studier, og validere simuleringene mot pålitelige eksperimentelle data.

Hvordan formgivning av eksoshetter påvirker strømningsdynamikk og drag

Når det gjelder design av eksoshetter og deres innvirkning på luftstrøm, er det viktig å forstå hvordan ulike former og geometriske endringer kan redusere friksjonsmotstand, også kjent som LDC (Luftdragskoeffisient). Gjennom CFD-baserte simuleringer (Computational Fluid Dynamics) kan man studere hvordan strømningsmønstre og virvelsoner (VZ) dannes rundt en hette, og hvordan disse kan påvirkes ved formgivning av hetten.

Formgivning av eksoshetter innebærer å justere hettens utforming for å optimalisere luftstrømmen og redusere turbulens. Når man bruker en formgivning som ikke medfører endring i den formede områdets plassering, er det ikke mulig å benytte konturene til sekundære virvelsoner (VZ) bestemt av DVM (Discrete Vortex Method). I slike tilfeller benyttes først konturene av den primære VZ som er definert gjennom CFD-simulering, og deretter benyttes en numerisk simulering for å bestemme effekten av formgivningen.

I et eksperiment med en hette med flenselengde 3R og åpningsvinkel på 15° ble det observert en betydelig reduksjon i drag, med en 19,8 % reduksjon i LDC. Samtidig ble en sekundær VZ dannet, som er omtrent seks ganger mindre enn den primære. Fortsatt formgivning langs konturene til denne sekundære VZ resulterte i en ytterligere reduksjon i drag med 23,1 %, som gir en total reduksjon på 42,9 %. Imidlertid, når formgivning ble utført langs konturene til den andre sekundære VZ, fikk man en økning i LDC på 18,7 %, en effekt som kan tilskrives den lille størrelsen på LDC i dette tilfellet og feilmarginene i de numeriske eksperimentene.

En annen interessant observasjon kom fra et eksperiment med en hette hvor flenselengden var 1R og vinkelen α var 90°. Her førte formgivning langs begge VZs til en 43,7 % reduksjon i LDC sammenlignet med en uformet design. Den påfølgende dannelsen av sekundære VZs i området der de formede delene møtte hettens flens og kanalveggene resulterte i ytterligere reduksjoner i drag, med en maksimal nedgang på 61,5 %. Dette viser hvordan en kaskade av VZs kan oppstå som respons på formgivning, hvor formgivning langs de sekundære VZs også fører til en betydelig reduksjon i drag.

Når flensens helningsvinkel er 0°, som i tilfelle av en rund frontåpning, kan formgivning langs den første VZ også føre til dannelsen av en sekundær VZ. Fortsatt formgivning langs denne sekunder VZ reduserer LDC med 15,5 %. Dette tyder på at formgivning langs sekundære VZs kan gi høyere effektivitet når vinkelen er større, men den totale effekten er avhengig av både flenselengde og helningsvinkel.

Videre eksperimenter har vist at formgivning av eksoshetter kan føre til en reduksjon i LDC avhengig av flenselengde og helningsvinkel. For eksempel, i eksperimentene med flenselengde på 1R og helningsvinkel α = 90°, førte formgivning langs den andre VZ til en betydelig reduksjon i LDC med 52,6 %. Denne formen for design er spesielt effektiv for å redusere drag, men det er viktig å merke seg at risikoen for tilbakeløp av skadelige kontaminanter også må tas i betraktning ved design av lokale utsugningssystemer. Dermed er det avgjørende å balansere både luftstrømmens effektivitet og sikkerheten i eksossystemer.

En ny generasjon av eksoshetter kan utvikles ved å benytte seg av de resultater som ble oppnådd gjennom simuleringene, særlig med hensyn til hvordan forskjellige flenselengder og helningsvinkler påvirker drag. De numeriske simuleringene har vist at LDC-verdiene for en formet hette er relativt uavhengige av flenselengde, men i høy grad avhengige av helningsvinkelen på flensen. Når vinkelen overstiger 30°, ser man en betydelig reduksjon i LDC, og dette bekreftes gjennom både eksperimentelle og teoretiske studier.

For design av energieffektive eksoshetter bør det tas hensyn til denne sammenhengen, og det er mulig å bruke funksjonene som er utviklet gjennom simuleringene til å predikere hvordan endringer i helningsvinkel og flenselengde vil påvirke drag. Den empiri som er hentet fra studiene, viser at effekten av formgivning er mest markant ved høyere flenshelninger, og det kan være mulig å utvikle mer energieffektive løsninger for utsugningssystemer som tar høyde for disse faktorene.

Hvordan måling og analyse av støvpartikler i manikyrsalonger gir innsikt i luftkvalitet og helsefare

Støvpartikler som slippes ut under manikyrprosesser, spesielt ved filing av negler, utgjør en betydelig helsefare, både for de som utfører behandlingen og kundene. I en rekke eksperimenter utført i Belgorod, Russland, ble det gjennomført målinger for å vurdere nivåene av støv i luften, samt dets kjemiske og fysiske egenskaper. Slike målinger kan bidra til å bedre forstå hvordan man kan beskytte både helsearbeidere og kunder fra de potensielt skadelige effektene av luftbårne partikler som inneholder giftige stoffer som formaldehyd og flyktige fenoler.

Eksperimentene benyttet perchlorovinylnylonfibre som filtreringselementer for å samle støvprøver. Filtrene ble tørket i et ekssikator for å få en stabil masse, og deretter veid på elektroniske skalaer med en nøyaktighet på 0.0001 g. Støvet ble samlet fra arbeidsbordet på et avstand på 300–400 mm i en Voyage manikyrsalong. Hoveddelen av støvfrigjøringen skjer under filingsprosessen, og etter en viss tid setter en del av støvet seg, noe som fører til en betydelig reduksjon i konsentrasjonen av forurensninger i arbeidsområdet. De fineste støvpartiklene kan derimot forbli i luften i opptil 10 timer etter filing (Purkiss 1997; Abramson og Wilton 1985). Målinger ble utført under et ventilasjonsluftstrøm på 20 L/min i løpet av den gjennomsnittlige filingsprosessen på 10 minutter.

Etter eksperimentet ble filtrene igjen plassert i ekssikatoren for tørking, og støvkoncentrasjonen ble beregnet ved hjelp av en formel som tar hensyn til filterets masse, luftstrømmens hastighet og tid brukt på prøvetakingen. Disse målingene gir verdifull informasjon om støvets tetthet og konsentrasjon, som kan brukes til å vurdere de potensielle helsefarene knyttet til arbeidsmiljøet i slike salonger.

Videre ble de kjemiske egenskapene ved støvet analysert av et uavhengig laboratorium, CESiE LLC, ved hjelp av metoder som muliggjør kvantifisering av skadelige stoffer som formaldehyd og flyktige fenoler i støvprøvene. Slike stoffer er kjent for sine helsefarer, spesielt ved langvarig eksponering. De kjemiske analysene ble utført ved hjelp av forskjellige fotometriske metoder, og partikkelstørrelsen ble bestemt ved bruk av en partikkelstørrelsesanalyse, som benytter elektromagnetisk bølgespredning for å identifisere de individuelle partiklenes størrelse.

Partikkelstørrelsen i støvet ble nøye vurdert, da industrielle støv vanligvis inneholder en stor mengde finere partikler, som kan være svært helsefarlige. Ved hjelp av et instrument for partikkelstørrelsesanalyse (Analysette 22), ble partikkeldiameteren delt i median og standardavvik for å oppnå en nøyaktig forståelse av støvets sammensetning. De målinger som ble utført under eksperimentet er grunnleggende for å forstå hvordan støvpartikler sprer seg i et arbeidsrom og hvordan de kan unngås eller kontrolleres for å minimere helserisiko.

En viktig parameter som ble vurdert var hvor lenge støvet forblir svevende i luften, spesielt i pustesonen (30–40 cm over bordet). Større støvpartikler med terminalhastigheter mellom 30 og 40 cm/s vil falle raskt til bakken, men finere partikler vil kunne sveve i luften i lengre tid og derfor lettere inhaleres. Dette understreker behovet for effektive ventilasjonssystemer som kan fjerne både fine og grovere støvpartikler før de når arbeidstakernes og kundenes pusteområde.

En annen viktig observasjon er at støvets tetthet og kjemiske sammensetning spiller en stor rolle i den generelle helserisikoen. Ved hjelp av spesialiserte instrumenter som gaspyknometre og fotometriske teknikker, kan man få en presis forståelse av støvets sammensetning, som igjen kan føre til mer effektive metoder for å redusere eksponering for skadelige kjemikalier i arbeidsmiljøet.

I denne sammenhengen er det viktig å merke seg at de luftbårne støvpartiklene som finnes i manikyrsalonger kan ha langvarige helseeffekter hvis de ikke håndteres riktig. Helseeksperter anbefaler å bruke effektive ventilasjonssystemer og personlige beskyttelsesmidler som støvmasker for å minimere eksponeringen. I tillegg bør salongene gjennomføre regelmessige målinger av støvkoncentrasjonen og de kjemiske egenskapene i luften for å sikre et trygt arbeidsmiljø.

Hvordan forstå blandinger av luft og vanndamp i atmosfæren?
Hvordan Supercharged Hot Hatchbacks Har Endret Bilindustrien
Hvordan reguleres farlige stoffer i mat: Fra nitrosaminer til dioksiner
Hvordan ble kulten rundt matronegudinnene formet i det romersk-germanske grenselandet?