Hvordan utformingen av endesiden åpning påvirker drag og energiforbruk i eksoskanaler

I arbeidet med å redusere luftmotstanden og forbedre energieffektiviteten i eksossystemer, er studien av geometriens påvirkning på strømningen gjennom kanaler en viktig faktor. I mange tilfeller er åpningene på endesiden av kanalen, hvor strømningen brytes og luft frigis, en nøkkelfaktor som bestemmer den totale dragkraften i systemet. En vanlig utfordring er hvordan den såkalte "dead-end" påvirker draget og dermed kan redusere effektiviteten til systemet.

Når åpningen ikke er plassert helt på enden av kanalen, men litt før slutten, oppstår det en død sone. Denne dødsonen kan endre strømningens karakter, og i noen tilfeller føre til en mindre effektiv luftstrøm gjennom åpningen. Eksperimentene som ble utført med forskjellige størrelser på dødsonen viser at selv om større dødsoner kan føre til en liten nedgang i LDC (dragkoeffisienten), har endringene i draget i praksis ikke stor betydning. Endringene i LDC, når størrelsen på dødsonen varierer fra 0,2 til 0,8, er bare på 3%, noe som tyder på at det ikke er nødvendig å studere denne effekten videre.

Skaleringsfaktoren for denne universelle konturen kan bestemmes ved hjelp av en formel som knytter den relative bredden h/b til konturens geometriske form. For eksempel, for en åpning med en relativ bredde på h/b = 1,875, ble en skaleringsfaktor utviklet som gjør det mulig å skape en nøyaktig representasjon av VZ for andre åpninger.

Resultatene av disse simuleringene og eksperimentene viser at shaping av åpningen, spesielt langs VZ1, kan redusere draget betydelig, noe som fører til økt energieffektivitet i systemet. En viktig faktor her er hvordan strømningsfeltet og virvelsoneområdene påvirker drag og hvordan denne informasjonen kan brukes til å utvikle bedre og mer effektive design for eksossystemer. Slike design kan redusere energiforbruket og forbedre ytelsen til ventilasjonssystemer.

Det er viktig å merke seg at meshing, eller hvordan den numeriske løsningen er delt opp i små celler, spiller en avgjørende rolle for nøyaktigheten til simuleringen. I studiene ble meshens tetthet økt betydelig i områdene der shaping skulle implementeres, for å oppnå tilstrekkelig nøyaktighet. Den videre forbedringen av meshens konvergens og dens evne til å modellere den komplekse geometrien i disse områdene er essensiell for å kunne pålitelig forutsi virkningene av forskjellige design på LDC.

Så selv om formen på åpningene i eksoskanaler har en relativt liten effekt på LDC ved små endringer, viser studien at riktig shaping kan gi betydelige gevinster i effektiviteten. Dette er særlig viktig for designere som arbeider med ventilasjonssystemer, hvor små forbedringer kan ha stor innvirkning på energiforbruk og systemytelse.

Hvordan redusere trykktap og forbedre luftstrøm i ventilasjonssystemer ved hjelp av luftkanaldesign

For å oppnå en optimal luftstrøm og redusere trykktap i ventilasjonssystemer, er det nødvendig å forstå de komplekse faktorene som påvirker luftstrømmen gjennom kanalene. Ventilasjonskanaler består av ulike komponenter, og det er viktig å analysere hvordan disse komponentene, som kan ha ulike design, påvirker luftstrømmen. Å forstå de grunnleggende mekanismene for trykktap og hvordan man kan redusere det, er avgjørende for å optimalisere effektiviteten i ventilasjonssystemene.

En annen tilnærming for å redusere trykktap er å balansere luftstrømmen inne i kanalens komponenter, slik at separasjonszonen forsvinner. Dette kan oppnås ved hjelp av guidelinjer, ventiler eller finning på kanalens vegger. Teknikker som avrunding av kanter, fjerning av grenselag eller installasjon av tverrfinning har vist seg å redusere luftmotstanden betydelig. Det er dokumentert at avrunding av kanter kan redusere drag (luftmotstand) i enkelte fittings med opptil 45 %. Slike forbedringer, selv om de kan være effektive, er ikke uten utfordringer. For eksempel kan avrundede kanter føre til større kanaldimensjoner, noe som kan være problematisk i trange installasjoner.

Når man diskuterer metoder for å forbedre luftstrømmen, er det viktig å merke seg at de fleste teknikkene som omfatter fjerning av grenselaget eller installasjon av guidevanes kan være teknisk krevende og føre til høyere kostnader. I tilfeller hvor plass er begrenset, kan designendringer som avrunding av kanter føre til at kanalene blir større, og dette kan være en ulempe i kompakte systemer. For eksempel kan kanaler som må tilpasses et visst romvolum, ikke kunne benytte den ideelle avrundingsradiusen hvis det ikke er tilstrekkelig plass til å implementere de nødvendige designmodifikasjonene.

I praksis, når man tar i betraktning minimumsavstanden mellom kanalen og bygningens struktur (vanligvis 50 mm), kan det vise seg at ønsket avrundingsradius kun er gjennomførbar for kanaler med små dimensjoner (D ≤ 250 mm). Dette betyr at for større kanaler må en større avrundingsradius vurderes, men dette kan føre til at kanalen kommer for nær veggen eller andre strukturer, noe som ikke er akseptabelt i de fleste tilfeller. Dette viser nødvendigheten av å balansere ytelse og plassforhold ved design av ventilasjonssystemer.

I tillegg til de tekniske aspektene ved å redusere trykktap i ventilasjonssystemer, er det viktig å vurdere den praktiske implementeringen av slike designmodifikasjoner. For eksempel er det avgjørende å sørge for at alle modifikasjoner kan integreres effektivt med eksisterende bygningsinfrastruktur uten å føre til unødvendige kostnader eller vanskeligheter under installasjon. Dette innebærer en grundig vurdering av både tekniske løsninger og romlige begrensninger i bygningen for å finne den mest optimale løsningen.

Hvordan utforming og flenselengde påvirker effektiviteten av en spalteuttrekkshette

I studier av luftstrømmer i forbindelse med ventilasjonssystemer, er det viktig å vurdere hvordan forskjellige utforminger av utslippshetter påvirker effektiviteten til systemet. En spalteuttrekkshette med flens kan for eksempel fange opp forurensende stoffer mer effektivt ved en spesifikk justering av flenselengde og vinkel. Dette avhenger av flere faktorer som flensens lengde, utløpsvinkelen, og hvordan disse variablene påvirker luftstrømmen i ulike deler av ventilasjonssystemet.

I datamaskinbaserte simuleringer av slike systemer, som benytter Computational Fluid Dynamics (CFD) og Diskret Volumemodell (DVM), er det ofte observert at luftstrømmens hastighet i de områdene som ligger nær utslippsåpningen er høyere, spesielt når flensens lengde er lengre. For eksempel, i tilfeller der flenselengden d/B er 2,5, kan man observere at maksimale luftstrømshastigheter varierer betydelig avhengig av vinkelen α. Ved en vinkel på 0° (rund utslippsåpning) er hastigheten høyest på avstanden y/B mellom 0 og 1, mens den for en flens med en vinkel på 30° ligger mellom -1,7 og 2,2. Dette viser at flensens geometri har en direkte innvirkning på hvor effektivt den fanger opp forurensning i forskjellige deler av systemet.

Resultatene fra CFD og DVM viser seg å være i god overensstemmelse, men differansene blir mer markerte i områder som ligger lengre unna utslippsåpningen. Dette skjer ettersom hastighetene faller og forskjellen mellom de absolutte hastighetene mellom modellene blir mer tydelig. Det er også viktig å merke seg at CFD-modellen har en tendens til å beregne noe høyere hastigheter enn DVM-modellen, spesielt i de mer avsidesliggende delene av strømningsfeltet.

En annen viktig observasjon fra simuleringene er hvordan komponenten for vertikal hastighet endrer seg i forhold til forskjellige flenselengder. Ved en større flenselengde og en større flensvinkel vil hastigheten langs en tangerende linje nær veggen være null, et resultat av det såkalte no-slip betingelsen i CFD-modellen. Derimot, i DVM-modellen kan det oppstå ikke-null hastigheter langs de tangerende linjene, ettersom modellen kun spesifiserer betingelser for den normale hastighetskomponenten.

Når det gjelder aksehastigheten, har simuleringene også vist at de teoretiske og eksperimentelle dataene for aksehastigheten er godt korrelerte med de beregnede resultatene for både DVM og CFD. Det er imidlertid viktig å merke seg at ved større flenselengder og vinkler på flensen, skjer en signifikant inversjon i hastighetens retning, spesielt for de aksiale komponentene. Dette kan være viktig å vurdere når man analyserer grafene for hastighetsmoduler og når man arbeider med visse strømningsbetingelser.

Det er viktig å forstå at ventilasjonssystemers ytelse ikke kun avhenger av de umiddelbare forholdene ved utslippsåpningen, men også hvordan strømningsmønstrene utvikler seg med avstand fra denne. Å analysere hvordan luftstrømmen utvikler seg i forskjellige deler av systemet, og hvordan flensens geometri påvirker denne utviklingen, er avgjørende for å designe effektive ventilasjonsløsninger.

Endtext

Hvordan numerisk simulering kan forbedre utforming av komplekse eksoshettede

Ved utføring av CFD-simuleringer på et komplekst eksoshattedesystem, har det blitt lagt stor vekt på å modellere de aerodynamiske egenskapene til systemet og effekten av grensebetingelsene (BC). En viktig del av analysen er å studere hvordan strømningsdynamikk påvirkes av geometri og tilstedeværelse av barrierer i nærheten av eksosutløpet. En nøkkelmetode for å forutsi luftstrømmen er å bruke ulike turbulensmodeller, som k–ε-modellen (SKE), SST k–ω-modellen og Reynolds Stress Modellen (RSM), som hver gir forskjellige resultater med hensyn til strømningens hastighet og turbulens.

For å oppnå nøyaktige resultater er det viktig å bruke detaljerte gitteroppsett. Gitteret brukes til å dele opp den fysiske rommet i små celler, som representerer området hvor væskestrømmen blir analysert. I de tidlige stadiene ble et gitter med jevnt fordelt cellestørrelse på 25 mm brukt, men dette ble videre raffinert gjennom flere trinn for å få mer presise målinger i de kritiske områdene nær eksoshattens kant og i områder med solide grenser. Etter raffineringen oppnådde man et gitter med cellestørrelser fra 1.56 · 10–4 m til 1.49 · 10–10 m, avhengig av simuleringsstadiet.

Den grunnleggende beregningen av dimensjonsløs avstand (LDC), som beskriver forholdet mellom trykket i systemet og den dynamiske trykkendringen, ble utført ved hjelp av et kjent forhold som tar hensyn til energitapet ved innløpet til hetten og luftmotstanden mot kanalens vegger. Ved å bruke denne metoden har forskere klart å oppnå verdier som reflekterer både eksoshetens kompleksitet og de aerodynamiske forholdene i systemet.

Resultatene fra de numeriske simuleringene har blitt sammenlignet med eksperimentelle data for å validere modellen. For eksempel, når avstanden mellom eksoshettens åpning og den impermeable planet økes, reduseres størrelsen på virvelsonen (VZ). Dette er i tråd med tidligere funn, hvor det ble vist at en økning i denne avstanden medfører en utvidelse av VZ, samtidig som den effektive sugningens radius også øker. Dette fenomenet er viktig for forståelsen av hvordan endringer i designet kan påvirke effektiviteten til et eksoshattedesystem.

Sammenligning av numeriske simuleringer med eksperimentelle data viser at de numeriske resultatene er i god overensstemmelse med de eksperimentelt målte verdiene, spesielt når LDC beregnes som en funksjon av avstanden mellom eksosutløpet og planet. Når avstanden økes, blir forskjellen mellom simulerte og eksperimentelle verdier minimal, noe som understreker nøyaktigheten av de valgte modellene og tilnærmingene.

En viktig detalj som ofte overses, er betydningen av valget av riktig turbulensmodell og funksjoner for veggbehandling. For eksempel ble det testet to typer veggfunksjoner: standardveggfunksjon (SWF) og forbedrede veggbehandlinger (EWT). Modellen som benyttet RSM EWT viste seg å gi de mest nøyaktige resultatene i forhold til de eksperimentelle dataene, noe som bekrefter viktigheten av å velge den rette kombinasjonen av modell og behandlingsmetode for å oppnå pålitelige resultater.