Hvordan kan man redusere motstanden ved sideåpninger i avtrekkskanaler?

For å effektivt analysere og redusere trykkfall og motstand i avtrekkskanaler med sideåpninger, må man gjennomføre en nøye tilpasning av den numeriske nettstrukturen i beregningsmodellen. Tilpasningen fokuserer på rektangulære områder som inkluderer smale striper langs kanalveggene og selve sideåpningen, for å fange opp detaljerte strømningsegenskaper nær vegger og åpninger. Under den siste tilpasningsfasen består nettverket av omtrent 2,6 millioner celler, med cellestørrelser varierende fra 0,123 mm til 1,6 cm. Den karakteristiske parameteren som benyttes for å styre finhetsgraden i nettet, er den lokale dragkoeffisienten (LDC). Denne koeffisienten beregnes separat for strømningen som passerer forbi midtpunktet ved sideåpningen, og for strømmen som går inn i åpningen, ved bruk av presise formler som inkluderer totaltrykk, dynamisk trykk og trykktap grunnet friksjon både oppstrøms og nedstrøms for åpningen.

Eksperimentelle undersøkelser utført med en fysisk oppstilling som inkluderer en avtrekkskanal med en sideåpning bekrefter de numeriske simuleringene. Den eksperimentelle riggen består av et langt kanalstykke oppstrøms og nedstrøms for sideåpningen, der selve åpningen kan varieres i bredde med en flyttbar bar, og dybden holdes konstant for å simulere en todimensjonal spalteåpning. For å forhindre lekkasjer er sidene tett lukket med plater av akrylglass og kryssfiner. Måling av trykk og luftstrøm skjer ved hjelp av manometre, Pitot-rør og varme-trådanemometer, og systemets tetthet kontrolleres ved sammenligning av luftmengde inn i kanalen og gjennom åpningen, hvor avviket er mindre enn 6%, noe som sikrer gyldige eksperimentelle data.

Det er vesentlig å forstå at reduksjon av motstanden i slike systemer ikke kun avhenger av selve åpningens geometri, men også av samspillet mellom ulike strømningstyper i kanalen, inkludert vorteksjoner og grenselagseffekter ved veggene. Nøyaktig beregning av lokale dragkoeffisienter krever en balansert tilnærming i mesh-design og valg av turbulensmodell. Videre bør validering alltid omfatte en bred variasjon i relative luftstrømmer gjennom åpningen for å sikre at løsninger er robuste under reelle driftsforhold. For leseren er det viktig å ha en solid forståelse av hvordan numerisk simulering og eksperimentell validering kompletterer hverandre, samt innsikt i at valg av modeller og mesh kan påvirke påliteligheten til resultatene betraktelig. Å kunne tolke og bruke disse dataene riktig er avgjørende for design og optimalisering av ventilasjonssystemer med sideåpninger.

Hvordan kan man numerisk forutsi og eksperimentelt validere strømningen ved komplekse avtrekkshetter?

I studiet av komplekse avtrekkshetter er det av avgjørende betydning å forstå strømningens adferd i innløpsområdet, spesielt ved skarpe kanter og i ikke-sirkulære tverrsnitt. Ved bruk av en egenutviklet numerisk metode basert på virvelfilamentmodellering (DVM) og støttet av eksperimentelle oppsett med dampvisualisering, ble strømningsbildet nær innløpet av rektangulære avtrekkskanaler kartlagt med høy nøyaktighet. Systemet bestod blant annet av en dampgenerator, lyssetting med spaltet maske, og høyhastighetskamera rettet mot en svart bakgrunn for å fange opp strømningens konturer.

Ved å numerisk bestemme den dimensjonsløse aksiale hastigheten (v_ax/v_0), hvor v_0 representerer utgangshastigheten i kanalen, ble det mulig å kartlegge den frie strømlinjen – grensen mellom hovedstrømmen og de dannede virvelsonene (VZ) – i innløpet av en rektangulær kanal. Resultatene, både fra eksperimenter og CFD-simuleringer, viste en høy grad av samsvar med DVM-metoden, og bekreftet dens gyldighet for slike geometrisk komplekse tilfeller.

Variasjonene i kanalens bredde i forhold til høyde – fra 1:1 (kvadratisk) til 6:1 (kraftig rektangulær) – påvirket formasjonen og utbredelsen av VZ. Ved breddeforhold på 4:1 og 6:1 ble det observert at strømlinjenes form og VZs omfang nærmet seg det som observeres i spaltede (slot) avtrekk, noe som gjør disse konfigurasjonene spesielt relevante for industriell ventilasjon der effektive utsug er påkrevd. I slike tilfeller ble det ikke sett ytterligere endringer i strømningen ved ytterligere økning av kanalens bredde, noe som indikerer et metningspunkt i geometrisk innflytelse.

Ved sammenligning av isotakher – linjer med lik hastighetsmodul – i to ortogonale plan (X0Y og Z0Y), ble det demonstrert at eksperimentelle resultater fra Kulmala og Saarenrinne (1996) var i bemerkelsesverdig overensstemmelse med både DVM-beregninger og CFD-modeller, inkludert modeller basert på k–ε-turbulensmodellen. Det ble registrert en korrelasjonskoeffisient på r = 0.996, hvilket tilsier nesten perfekt samsvar. Student’s t-test (t = 0.035) og Fishers F-kriterium (F = 1.335) bekrefter videre den statistiske påliteligheten til sammenstillingen.

Et annet kritisk aspekt ved validasjonen av DVM-metoden var eksperimentell visualisering av VZs konturer ved ulike Reynolds-tall (Re), fra 0.59 · 10⁴ til 9.5 · 10⁴. Ved Re ≥ 4.2 · 10⁴ ble det observert at VZs konturer stabiliserer seg og ikke endrer seg videre, noe som bekrefter etableringen av en fullt utviklet turbulent strømningsregime. Konturene ble sammenlignet både mot DVM-resultater og mot hverandre ved økende Re, og trender i endringene av konturenes størrelse og utstrekning kunne spores nøyaktig.

Videre bekreftes gyldigheten av den utviklede metoden også gjennom sammenligning med analytiske og numeriske tilnærminger som Zhukovskys løsning og Fletchers formel. Spesielt i tilfeller med spaltede avtrekk ble de høyeste aksialhastighetene observert, som et resultat av maksimal jetkonsentrasjon og effektivitet i avtrekksvirkningen.

Når det gjelder forståelsen av strømningsregimer i rektangulære kanaler, er det sentralt å se på hvordan VZs utforming og størrelse påvirker effektiviteten til avtrekksystemet. Ved optimal geometri minimeres dødsone

Hvordan vinkelen på den ugjennomtrengelige flaten påvirker utformingen av VZ i flensede ventilasjonshettedesign

Utformingen av ventilasjonshettene, særlig i tilknytning til deres interaksjon med ugjennomtrengelige flater, spiller en avgjørende rolle for effektiviteten av luftstrømmen og den totale motstanden i systemet. En nøkkelkomponent i denne prosessen er forståelsen av hvordan forskjellige Vortex Zone (VZ)-mønstre påvirker både luftstrømmen og det aerodynamiske motstandsnivået (LDC) i slike systemer. Når flensede hettedesign utsettes for varierende vinkler på den ugjennomtrengelige flaten, oppstår det betydelige endringer i både de geometriske konturene til VZ og i de resulterende strømningsmønstrene.

Som demonstrert i flere beregninger og eksperimenter, kan VZ-ene til flensede hettedesignene bestå av flere forskjellige konfigurasjoner, avhengig av både vinkelen på flaten og den relative avstanden mellom hetten og flaten. For eksempel viser det seg at for et design med en vinklet flens, er det viktig å forstå hvordan disse VZ-mønstrene endrer seg over tid og under forskjellige forhold.

Eksperimentene har vist at for VZ 1, VZ 2 og VZ 5, som representerer ulike former for hettedesign, endres konturene i henhold til skalaen som benyttes. Bruken av en skaleringsfaktor k viser at i de fleste tilfeller kan de numerisk beregnede konturene replikeres med stor nøyaktighet ved hjelp av denne faktoren. Likevel, for enkelte småflensede design, hvor flenselengden d/R er liten, kan forskjellene mellom de numeriske og de skalerte konturene være mer merkbare, spesielt ved små s/R-verdier. Dette tyder på at for slike design må man gjøre en mer grundig vurdering av hvordan VZ-ene utvikler seg i disse situasjonene.

En av de mest bemerkelsesverdige observasjonene er at for VZ 2-konturer, spesielt når s/R > 1, observeres en svak avhengighet av designet. Dette tyder på at det er mulig å bruke en universell profil for mange typer VZ 2-design, noe som gir en praktisk tilnærming i utviklingen av utformingen. Samtidig bør det bemerkes at for VZ 1 og 5, der geometrisk likhet er tydeligere, kan en enkel skaleringsfaktor k være tilstrekkelig for å oppnå en pålitelig design.

En annen viktig faktor er vinkelen på den ugjennomtrengelige flaten. Når denne flaten tilpasses, påvirker den konturen og stabiliteten til VZ-ene betydelig. Eksperimentene viser at for forskjellige avstander fra hetten til den ugjennomtrengelige flaten, kan VZ-ene vise seg å stabilisere seg ved forskjellige vinkler, og dermed påvirke motstanden i systemet. Dette stabiliseringspunktet er kritisk for effektiviteten til et flensedesign, spesielt når det gjelder å minimere LDC. Når flensede design settes i et ubegrenset rom, er det viktig å bruke de stabiliserte VZ-konturene for å redusere energitap og oppnå optimal luftstrøm.

Når eksperimentelle data blir sammenlignet med teoretiske modeller, er det klart at den forbedrede utformingen, hvor VZ-ene er riktig profilert, kan redusere motstanden betydelig sammenlignet med en uformet hette. I de eksperimentelle studiene ble det funnet at effektiviteten av denne formen for shaping kan være så høy som 85%, noe som understreker viktigheten av å bruke nøyaktige og stabile VZ-konturer i designprosessen.

Videre, til tross for at forskningen har gitt gode resultater for flensede hettedesign i nærvær av en ugjennomtrengelig flate, er det fortsatt nødvendig med videre studier for å vurdere muligheten for å bruke variable VZ-konturer som avhenger av avstanden til flaten. Dette kan potensielt åpne for enda mer effektive løsninger i spesifikke applikasjoner der slike faktorer er avgjørende.

Hvordan LDC kan brukes til å validere numeriske løsninger i turbulent strømning

Kunskap om LDC (lokal trykktapkoeffisient) muliggjør validering av numeriske løsninger for å fastslå de mest korrekte valg av innstillinger og modeller. Problemstillingen som ble undersøkt, ble løst i en 2D-turbulent setting, der flere turbulensmodeller, inkludert den "standard" k–ε (SKE), den "standard" k–ω (SKW) og k–ω SST (SSTKW), ble benyttet for å lukke hovedsystemet for fluidbevegelse. I denne sammenhengen ble også to metoder for nærveggsimulering brukt når det var mulig: "Standard Wall Functions" (SWF) og "Enhanced Wall Treatments" (EWT).

Den turbulent strømningen i ventilasjonskanaler er sterkt påvirket av presisjonen til simuleringen av grensesjiktet. I denne undersøkelsen benyttes en kanalkomponent som er symmetrisk langs sin midtakse, og derfor vurderer den numeriske løsningen kun den øvre halvdelen av beregningsområdet. For å validere de numeriske resultatene ble effekten av kombinasjonen av turbulensmodeller og metoder for veggsimulering på den resulterende løsningen verifisert. Dette ble gjort ved å overvåke både drag (i henhold til Borda–Carnot-ligningen) ved det plutselige utvidelsespunktet og dimensjonene på virvelsonen (VZ), hvis lengde er blitt grundig studert av mange forfattere.

I verifiseringen ble det brukt flere modeller, inkludert de allerede nevnte, samt den mer avanserte "Reynolds Stress Model" (RSM). Videre ble de to metodene for veggsimulering også testet: SWF og EWT. Beregningsområdet for testprosessen, som er illustrert i figur 8.1, viser strømningens linjer og de viktigste dimensjonene i systemet. Strømmen passerer gjennom inngangsgrensen AB, der en "velocity inlet"-betingelse med en jevn hastighetsprofil ble spesifisert. Utstrømming skjer gjennom grensen EF, og den symmetriske aksen (AF) hadde symmetribetingelsen, mens de øvrige grensene hadde veggbetingelser (ugjennomtrengelige faste vegger).

Valideringen startet med en testproblemstilling der kanalen gjennomgår en dobbel ekspansjon. Kanalens bredde endres fra b = 0.1 m i den smale delen til b = 0.2 m i den brede delen. For å hindre at betingelsene og forstyrrelsen ved den plutselige ekspansjonen påvirker LDC, ble kanalene både oppstrøms og nedstrøms av ekspansjonen valgt å være lange nok: oppstrøms ekspansjonen l = 1.5 m (l/b = 15) og nedstrøms ekspansjonen l = 2.5 m (l/b = 25). Verifikasjonen ble utført ved å analysere trykkforandringer i forskjellige tverrsnitt langs kanalen, der totaltrykket ble beregnet i disse tverrsnittene.

Videre ble de spesifikke trykkfallene identifisert, og områder med minimal trykkfall ble brukt til å bestemme trykktapene som følge av friksjon. Resultatene viste at trykktapene i kanalen kan deles opp i områder som er mer eller mindre påvirket av friksjon og deformasjon av strømningen. Det ble også påvist at trykktapene ikke er jevnt fordelt i det turbulente området rundt ekspansjonen, noe som skaper utfordringer for en nøyaktig beregning av LDC.

For å verifisere de numeriske resultatene ble det gjennomført en "mesh convergence"-studie, der flere kombinasjoner av turbulensmodeller og veggsimuleringsmetoder ble testet. Dette var viktig for å sikre at beregningene ikke var avhengig av nettet som ble brukt. Gjennom disse testene ble det også påvist at både de enklere og mer avanserte modellene kunne brukes til å oppnå pålitelige løsninger, så lenge riktige metoder for veggsimulering ble benyttet.

Det er viktig å merke seg at valideringen av numeriske løsninger i dette tilfellet ikke bare handler om å velge riktige modeller, men også om å ha presis kontroll over grensesjiktbehandling og forstyrrelser i strømningen. Disse faktorene spiller en avgjørende rolle i å forstå dynamikken bak trykktapene og i å skape en mer pålitelig beregningsmodell for ventilasjonssystemer. Denne prosessen krever derfor en grundig forståelse av både de numeriske metodene og de fysiske fenomenene som påvirker strømningen.