Hvordan beregnes virvelsoner ved skarpe kanter i eksoshetter?

Siden strømningsgrensen er akssymmetrisk, anvendes et sylindrisk koordinatsystem der hver punktkoordinat defineres ved avstand fra inntaket $x$ og avstand $r$ til symmetriaksen 0x. I testpunktene som ligger innenfor åpningen, gis eksoshastigheten $u$, mens resten av grensepunktene underlegges en ugjennomtrengelighetsbetingelse, hvor den normale komponenten av hastigheten settes til null.

Det utvikles en iterativ algoritme for å følge de frie kantstrømningsflatene som oppstår ved de skarpe kantene A og B – grensene til VZ. Virvelringene på de to frie kantene beregnes iterativt med respektive sirkulasjonskoeffisienter γ₁ og γ₂. Hastighetsfeltet i et punkt projiseres i en vilkårlig retning $\vec{n}$ gjennom en sum av bidrag fra tilknyttede og frie virvelringer. Disse beregnes via funksjonen $G(x,\xi)$, som avhenger av de geometriske koordinatene til henholdsvis testpunktet og virvelens posisjon.

Etter full diskretisering dannes en todimensjonal matrise $G_{pq} = G(x_p, \xi_q)$ sammen med én-dimensjonale vektorer som representerer grensebetingelsene. Den iterative løkken begynner med null initialverdier for frie virvelringer og løser deretter et lineært ligningssystem for de tilknyttede virvelenes sirkulasjon. Disse verdiene brukes så til å oppdatere γ₁ og γ₂, og deretter tegnes strømningsflatene ved hjelp av lokale hastigheter og et plottesteg $\Delta t$. Iterasjonen fortsetter helt til forskjellen mellom nye og gamle verdier for γ₁ og γ₂ er mindre enn en forhåndsdefinert toleranse ε.

Hvordan Beregne og Visualisere Trykkfordeling i Ventilasjonssystemer med Vortex Ventilasjon

Trykkfordelingen i et kanal med en hette, som vist i figur 2.3, er viktig for å forstå dynamikken i luftstrømmen og de påfølgende trykkfallene som oppstår i ulike deler av systemet. Tabelldataene som presenteres, gir en detaljert oversikt over hvordan trykket endres gjennom kanalen. De første to kolonnene stammer fra den numeriske løsningen og danner grunnlaget for beregningene av spesifikke trykknedganger i systemet.

Tabell 2.1 viser hvordan trykket endres (PT, Pa) og den spesifikke trykknedgangen (R, Pa/m) i forskjellige posisjoner langs kanalen (x, m). Det er viktig å merke seg at verdiene for spesifikke trykknedganger i enkelte deler av kanalen er nær konstante, spesielt i områdene hvor den relative endringen i trykk er liten – ofte mindre enn 2–3%. I disse områdene kan trykktapene anses som lineære, noe som forenkler beregningene og gir en bedre forståelse av luftstrømmens adferd i systemet.

Beregningene av den spesifikke trykknedgangen (R) kan gjøres ved å finne gjennomsnittsverdien i et område der endringene er ubetydelige. For eksempel er den gjennomsnittlige verdien for spesifikke trykknedgang (R = 5.85 Pa/m) beregnet, og den maksimale avviket fra gjennomsnittet i dette området er bare 2.25%. Denne tilnærmingen forenkler analysene ved å bruke gjennomsnittsverdier for trykkfallene der variasjonene er små.

$$\zeta = \frac{P_b - P_e - \Delta P}{P}$$

Når det gjelder beregningen av den lokale friksjonsmotstanden i forbindelse med vinklete elementer eller tilpasninger i kanalen, skjer dette på samme måte som i de mer rettlinjede områdene, men med en justering for de unike forholdene som finnes i tilkoblingsområdene. Friksjonstapene i disse områdene kan beregnes på samme måte som i hovedkanalen, men med et justert innledende trykk basert på numeriske resultater.

En annen viktig beregning som ofte benyttes i disse sammenhengene, er visuell representasjon av strømningen i ventilasjonssystemet. Ved å løse 2D problemer kan man visualisere luftstrømmene gjennom strømningens linjer, kalt streamlines. I avanserte beregningsprogrammer kan man velge å vise disse linjene ved å bruke funksjonen “Contours” og velge “Velocity – Stream Function.” Dette gir et klart bilde av strømningens mønster, som hjelper til å bestemme områdene med potensielle turbulenser eller virvler som kan påvirke systemets ytelse.

For å visualisere strømningssonene, benyttes ofte den såkalte “frie” strømningen, som markerer skillet mellom hovedstrømmen og de områdene hvor strømningen har separert seg fra den primære retningen. For å finne denne linjen må man analysere distribusjonen av strømningsfunksjonen langs kanalens grense og finne den siste strømningens linje som kommer ut av beregningsområdet. Denne isoleringslinjen er nyttig både for å visualisere turbulente områder og for å definere grenser i systemet, som kan være nødvendig ved modellering i mesh-generatorer.

For å plotte den siste strømningslinjen kan man bruke en funksjon som lar deg eksportere koordinatene til de relevante punktene i systemet. Denne informasjonen er nødvendig for å lage presise modeller som videre kan brukes til å justere kanalens utforming eller til å forbedre ventilasjonens effektivitet. Ved å eksportere koordinatene og analysere strømningens isoleringslinje kan man skape mer effektive og aerodynamiske ventilasjonssystemer.

Hvordan studere strømningssoner og trykkforhold i ventilasjonskanaler: En eksperimentell tilnærming

I studier av ventilasjonsstrømmer er det essensielt å forstå hvordan trykk, hastighet og strømning forholder seg i forskjellige deler av ventilasjonssystemet. Når man utfører eksperimenter for å analysere disse forholdene, er det viktig å sette opp riktige målesystemer og bruke presise instrumenter for å få pålitelige resultater.

Et typisk eksperimentelt oppsett for måling av strømning i ventilasjonskanaler kan være basert på en enhet bestående av flere viktige komponenter: en fan (vifte), luftkanaler, en statisk trykkammer, og tilhørende instrumenter for måling av hastighet og trykk. Et eksempel på et slikt oppsett er vist i figur 2.10, der en rund eller spalteformet ventilasjonshette kobles til et statisk trykkammer via et luftkanalsystem. Dette systemet er designet for å simulere virkelige forhold i et ventilasjonssystem og tillater observasjon av hvordan strømning og trykk endres i ulike soner.

Under eksperimentet benyttes kald damp for å visualisere strømningens mønster. Damp blir injisert ved kantene på hetten, og et hot-wire anemometer måler hastigheten på luftstrømmen på forskjellige steder i systemet. Dette gir verdifulle data om hastighetskomponentenes fordeling og kan sammenlignes med numeriske resultater fra CFD-simuleringer (Computational Fluid Dynamics). Det er viktig å forstå at den reelle hastigheten i et system kan avvike noe fra teoretiske modeller, og at slike eksperimentelle oppsett er nødvendige for å validere de numeriske beregningene.

I tillegg til å visualisere strømningen, blir også trykket målt ved hjelp av et differensialmanometer. Dette kan gi informasjon om hvordan trykket endres gjennom systemet, og hvordan forskjellige komponenter som ventilasjonshetter og kanaler påvirker dette. Trykkfallet i kanalene er spesielt viktig for å forstå energieffektiviteten i ventilasjonssystemet, da et stort trykkfall kan indikere en ineffektiv strømning som krever mer energi for å opprettholde ønsket luftmengde.

Videre har eksperimentene vist viktigheten av å bruke forskjellige metoder for å validere funnene. Det er ikke nok bare å stole på målinger eller teoretiske simuleringer; det er en nødvendighet å bruke begge metodene i kombinasjon for å få et mer nøyaktig bilde av hvordan systemet fungerer under forskjellige forhold. Når det gjelder måling av strømning i kanaler, er det også avgjørende å forstå hvordan trykk og hastighet interagerer i ulike deler av systemet, og hvordan disse faktorene endres når komponentene, som for eksempel et eksos-merging tee, endres.

En viktig observasjon som kan trekkes fra de eksperimentelle dataene er hvordan endringer i kanalens form og dimensjoner påvirker strømningen. For eksempel kan installeringen av en sidegren eller enden på en kanal føre til betydelige endringer i både hastighet og trykkforhold. Når strømmen møtes ved et eksos-tee, oppstår det ofte turbulens som kan føre til uregelmessig distribusjon av trykk og hastighet. Disse effektene er avgjørende å forstå, spesielt i prosjekter der det er behov for å designe ventilasjonssystemer med spesifikke ytelseskrav.

Videre er det viktig å være klar over hvordan de forskjellige måleteknikkene fungerer og hva som er de viktigste feilkildene ved bruk av dem. For eksempel, når man bruker et hot-wire anemometer, er det viktig å være oppmerksom på instrumentets nøyaktighet og hvordan målingene kan påvirkes av strømningens turbulens og temperaturforhold. I tillegg bør det tas hensyn til kalibreringen av instrumentene og hvordan variasjoner i målingene kan påvirke de endelige resultatene.

I tillegg til de tekniske aspektene ved eksperimentell måling og simulering, bør leseren også vurdere hvordan de eksperimentelle oppsettene kan tilpasses spesifikke behov i praktiske ventilasjonssystemer. Dette kan omfatte justering av kanalens dimensjoner, plasseringen av måleutstyr, og valget av målemetoder for å sikre pålitelighet og presisjon i målingene. I et større perspektiv, er det også viktig å ta i betraktning hvordan resultatene fra slike eksperimenter kan brukes til å forbedre utformingen av ventilasjonssystemer, noe som kan bidra til økt energieffektivitet og bedre luftkvalitet.

Hvordan Mesh Tilpasning Påvirker Strømningskarakteristikker i Utslippskanaler: En Numerisk og Eksperimentell Studie

I den numeriske løsningen som ble utført, ble kombinasjonen av randbetingelser og geometri undersøkt for å forstå hvordan luftstrømmen til et midtpunktutløp fungerer i et ventilasjonssystem. Grensebetingelsene ble satt til at utslippsåpningen i kanalen hadde en massestrømsinntak på 1 kg/s, mens de frie grensene ble satt som trykkinnlating med et null overtrykk, og de faste veggene som "vegg". Beregningsområdet som ble brukt i studien hadde dimensjonene høyde Y = 1 m og bredde X = 1,5 m. Et eksempel på det beregnede området for en relativ åpning med bredden h/b = 1,875 er vist i figur 3.23.

I studien av mesh-konvergensen ble mesh-en tilpasset for å gi en mer nøyaktig representasjon av strømningskarakteristikkene i hele området. I de første stadiene ble mesh-en tilpasset over hele området, deretter ble de områdene med de største endringene i strømningskarakteristikker refinert. Dette ble gjort i strimler som fylte hele bredden, men ble smalere i høyden, og til slutt også langs de faste grensene. Det ble benyttet en metode for å tilpasse mesh-en rundt åpningene uten å bruke den innebygde funksjonen "boundary adaptation". Mesh-en bestod til slutt av 8,4 millioner celler med cellestørrelser som varierer fra 0,075 mm til 1,03 cm. Dette resulterte i en løsning hvor strømningsmønstrene kunne analyseres på en detaljert måte, som illustrert i figur 3.24.

I eksperimentelle undersøkelser ble et oppsett som beskrevet i seksjon 2.3, seksjon 2.3.2, brukt til å observere strømningsmønstre i en kanal med en spalteåpning. Oppsettet inkluderte et synlighetsglass for observasjon av virvler og et system for å måle trykk og strømningshastighet. Eksperimentet bekreftet at det finnes et virvelområde (VZ) både på inngangssiden av åpningen og på den motsatte siden ved den døde enden. Imidlertid var hastigheten i dette området mye lavere, og energitapene der ble ansett som ubetydelige. Det ble derfor konkludert med at det ikke er nødvendig å forme eller justere området rundt den døde enden for å redusere tapene.

I tillegg ble det utført numeriske simuleringer for å analysere drag-koeffisienten (LDC) i forhold til åpningens dimensjoner (h/b). Som vist i figur 3.27, øker LDC med åpningens størrelse, og de eksperimentelle resultatene viser en lignende trend, selv om det er en liten forskjell mellom de numeriske og eksperimentelle verdiene. Denne forskjellen kan delvis tilskrives den komplekse strømningsdynamikken som oppstår i runde kanaler, som er mer tredimensjonal i naturen enn de flate kanalene som ble brukt i numeriske beregninger.

I numeriske simuleringer av åpninger med forskjellige dimensjoner ble det utviklet en modell som knytter LDC til forholdet mellom åpningens bredde og kanalens bredde. Dette forholdet ble deretter brukt til å tilpasse beregningene, som vist i figur 3.27. Det ble konkludert med at draget øker med størrelsen på åpningen, og at denne trenden er godt representert både i eksperimentelle og numeriske studier.

Det er viktig å merke seg at strømningsdynamikken i slike systemer er svært sensitiv for geometriske endringer, og at små endringer i dimensjonene på åpningene kan ha stor innvirkning på luftstrømmens effektivitet og energitapene. Dette kan ha praktiske konsekvenser for design av ventilasjonssystemer, spesielt i industrielle anvendelser hvor energibesparelser og effektivitet er avgjørende. En detaljert forståelse av hvordan meshen påvirker nøyaktigheten i strømningsberegningene, sammen med eksperimentelle verifikasjoner, er avgjørende for å utvikle pålitelige modeller som kan brukes i praktisk ingeniørarbeid.

Hvordan redusert luftmotstand i ventilasjonssystemer kan forbedre effektiviteten ved fjerning av forurensning

Redusert drag i ventilasjonsnettet fører til en økt avtrekksluftstrøm, som igjen resulterer i høyere hastighet innenfor sugespekteret, og dermed en mer effektiv fjerning av forurensninger. Denne effekten er særlig viktig i miljøer hvor luftbårne partikler eller kontaminanter kan utgjøre en helserisiko for arbeidstakere, som i industrielle anlegg, laboratorier og i noen tilfeller, kommersielle lokale utsugningssystemer som de som finnes i skjønnhetssalonger. Å forstå hvordan ulike faktorer påvirker luftstrømmen og drag i ventilasjonssystemer er derfor kritisk for å designe systemer som både er energieffektive og sikre.

Eksperimenter som benytter CFD-simuleringer kan gi innsikt i hvordan luftstrømmen oppfører seg når den passerer gjennom forskjellige typer ventilasjonshetter. For eksempel har simuleringer med ANSYS® Fluent-programvaren vist hvordan tilpasning av masken (mesh) og justering av beregningsparametere kan gi mer presise resultater. Mesh-kvaliteten, som påvirker nøyaktigheten i simuleringen, har vist seg å være avgjørende for å forutsi strømningens oppførsel med høy presisjon. Etter flere tilpasningssteg kan man oppnå konvergens, hvor resultatene fra simuleringene blir stabile, og man kan pålitelig bestemme dragkoeffisienten (LDC) og karakteristikkene til virvelsonene som dannes rundt eksoshetter.

For å få nøyaktige resultater i slike studier, er det viktig å bruke et godt validert turbulensmodell, som for eksempel Reynolds Stress Model (RSM), i kombinasjon med riktig behandling av grenselagene for å simulere strømningsforholdene nær veggene i ventilasjonssystemet. Slike metoder gjør det mulig å forutsi hvordan luftstrømmen vil oppføre seg under forskjellige forhold og hvilken innvirkning endringer i design har på fjerningseffektiviteten for forurensninger.

I eksperimentelle oppsett er det vanlig å studere strømninger ved hjelp av fysiske modeller som gjenskaper de virkelige forholdene i et kontrollert miljø. For eksempel har man brukt modeller av flate hetter med forskjellige flenslengder og flensvinkler for å måle hvordan disse faktorene påvirker effektiviteten av støvfjerning og luftstrømmen generelt. Slike eksperimenter gir viktig validering for de numeriske simuleringene og hjelper til med å forstå hvordan teoretiske modeller korresponderer med faktiske forhold.

En viktig forståelse er at ventilasjonssystemers effektivitet ikke bare avhenger av selve luftstrømmen, men også av hvordan kontaminantene blir fanget og fjernet fra arbeidsmiljøet. Systemets utforming, inkludert valg av materiale for kanaler og hetter, plassering av ventilasjonsutstyr og konfigurasjon av luftstrømmen, har stor betydning. Det er nødvendig å ta hensyn til både aerodynamiske prinsipper og de spesifikke kravene som stilles til arbeidsmiljøet, for eksempel i forhold til hvilke typer forurensninger som skal fjernes.

Endtext