Hvordan Utviklingen av Strømningsseparasjon på Rundt Eksoshetter Påvirker Effektiviteten av Ventilasjonssystemer

Når man analyserer strømningsparametrene for ventilasjonssystemer, spesielt de som er knyttet til rundhodeventilasjon, viser det seg at det er en nær sammenheng mellom eksperimentelle verdier og beregnede data. Pearson’s lineære korrelasjonskoeffisient indikerer et tett forhold mellom beregningene og de målte verdiene for alle bestemte parametere. Studentens t-test viser påliteligheten av resultatene, og Fisher’s kriterium bekrefter tilstrekkeligheten av de oppnådde dataene.

Ved høyere avstander fra hetten, for eksempel x/R = 0.71, viser det seg at aksialhastigheten forblir konsistent i et område mellom r/R ∈ [0, 1.3] for α = 90°, mens radialhastigheten viser en mer variert distribusjon. Spesielt ved forskjellige helningsvinkler og forskjellige flenslengder (d/R) observeres det at den radiale hastigheten har en tendens til å nå sitt maksimum nær α = 90°, men området der dette skjer avhenger sterkt av de spesifikke dimensjonene og vinklene.

For å visualisere disse resultatene på en praktisk måte, ble en histogramgraf utviklet som viser de maksimale aksiale og radiale hastighetene på forskjellige avstander fra hetten (x/R) i forhold til flensens lengde og vinkel. Dette kan bidra til å velge det mest effektive eksoskanalsystemet for en bestemt kontaminantkilde, samtidig som energiforbruket minimeres.

I tillegg til hastighetsfordelingen, er det viktig å vurdere det som skjer når luftstrømmen møter eksoshettens skarpe kanter. Dette fører til dannelsen av den første separasjonssonen, VZ1, som kan utvides inn i kanalen når flensen er kort. Beregninger fra både numeriske løsninger og eksperimentelle data viser at grensen for denne separasjonssonen kan forutsies ved hjelp av spesifikke matematiske formler som er basert på DVM-modellen (Differential Volume Method). Denne informasjonen er nødvendig for å bygge videre på grensene for virvelområdet og forbedre designet av eksosventilasjonssystemer.

Når man ser på utviklingen av disse virvelsonene, har det blitt observert at de har en selv-likhetsegenskap uavhengig av Reynolds-tallet (Re). Strømningene i området med Re < 7,5 · 10³ og Re > 2,2 · 10⁴ viser nesten identiske virvelmønstre, noe som styrker hypotesen om at VZ-utslagene er uavhengige av Re-tallet i dette området. Dette er en viktig observasjon, da det muliggjør en mer universell tilnærming til design og beregning av eksossystemer, og reduserer behovet for spesifikke justeringer basert på strømningskarakteristika.

Videre ble det etablert at VZ-sonene, uavhengig av helningsvinkelen på flensen, har en grunnleggende geometrisk likhet. Dette funnet kan brukes til å utvikle universelle formler og tilnærminger for å bestemme dimensjonene og grensene for disse virvelsonene, uavhengig av variasjoner i systemkonfigurasjoner. Dermed kan man på en mer presis måte predikere hvordan ventilasjonssystemene vil oppføre seg under forskjellige forhold, noe som gir et mer pålitelig grunnlag for ingeniører som jobber med optimalisering av slike systemer.

Som et resultat av disse beregningene og modellene kan ingeniører og designere bedre forstå hvordan luftstrømmen reagerer på ulike geometrier og flensdimensjoner, og hvordan man kan minimere energitap og forbedre ventilasjonens effektivitet. Denne innsikten er også nyttig for å forstå de dynamiske forholdene som påvirker separasjonssonen og hvordan dette kan utnyttes for å designe mer effektive og energibesparende ventilasjonssystemer.

Hvordan beregne og visualisere virvelsonegrensene i eksoskanaler

For å utvikle presise modeller for luftstrøm og virvler i kanaler med eksosventilasjon, er det nødvendig å bruke spesifikke algoritmer for å beregne hastighetsfelt og separasjonssoner. En av de viktigste utfordringene er å bestemme grensene for virvelsonene som dannes når luftstrømmen separeres fra skarpe kanter i eksoskanalen. Denne prosessen involverer flere steg, hvor hver iterasjon gir mer nøyaktige resultater for strømningens oppførsel og virvelbetingelser.

Videre, i trinn to, beregnes en annen matrise, GN1q, som tar hensyn til effekten av virvler langs den aktive delen av eksossnittet, hvor de virvelstyrte luftstrømmene går langs den ytre normalen til kanalen. Den resulterende strømmen gjennom de enkelte virvelrammene gir et mål for luftstrømmens hastighet i hvert punkt på eksoskanalens flater. Denne metoden gir nøyaktige verdier for hastigheten på luftstrømmen, som er essensielle for å forstå dynamikken i virvelsonene.

I den tredje fasen av algoritmen settes initielle nullverdier for antallet hjørnepunkter på frie virvelpolylinjer og for sirkulasjonene i de frie kurvede rammene. Her begynner en iterativ prosess for å konstruere en fri virvelstrømsoverflate som starter fra den skarpe kanten på flensen. Denne prosessen innebærer flere delberegninger, der de ukjente intensitetene for virvelfragmentene bestemmes gjennom samtidig løsning av algebraiske ligninger. En viktig del av beregningsprosessen er å sikre at differansen mellom de gamle og nye verdiene for virvelrammenes sirkulasjon er under en spesifisert presisjon.

Under de iterative løkkene brukes en numerisk metode for å beregne de nye sirkulasjonsverdiene basert på de eksisterende betingelsene og de beregnede luftstrømmene. Hver iterasjon gir mer presise estimater for virvelrammenes plassering og deres innvirkning på luftstrømmen. Når den interne løkken er ferdig, beregnes og plottes de frie virvelpolylinjene langs strømningene som kommer fra kanten av flensen. Dette trinnet markerer den endelige konstruksjonen av virvelsystemet, og resultatene kan visualiseres som strømninger og virvelstrukturer i eksoskanalen.

Når algoritmen er gjennomført, kan hastighetsfeltet for luftstrømmen beregnes, og strømningene kan visualiseres i 3D. Denne visuelle representasjonen av virvelsonegrensene gir ikke bare innsikt i hvordan virvlene dannes og utvikles, men også hvordan de påvirker strømningens generelle mønster.

En eksperimentell teknikk for å visualisere disse virvelsonene ble brukt for å bekrefte de teoretiske beregningene. Ved hjelp av en tilpasset oppsett, inkludert en ultralydfukter som genererer damp, ble grensene for virvelsonene synliggjort. Denne metoden tillater nøyaktige målinger av virvelsonenes geometriske dimensjoner ved inngangen til eksoskanalen. Videre ble hastigheten på luftstrømmen målt med en varmestrømsanemometer for å få en bedre forståelse av virvelsoneutviklingen i forhold til eksosens hastighet.

Det er også viktig å merke seg at slike beregninger og eksperimenter kan justeres etter behov for å ta hensyn til forskjellige kanaldimensjoner, luftstrømsregimer og andre faktorer som kan påvirke virveldannelsen. Dette gjør metoden fleksibel og anvendelig i et bredt spekter av ventilasjonstekniske utfordringer, fra små kanaler til store industrielle eksossystemer.