Hvordan Redusere Luftmotstand i Eksoskanaler med Sideåpninger Gjennom Strømningsanalyse

Spiralen er plassert på en stang for å bli introdusert i luftstrømmen og er koblet til en 12 V DC strømforsyning. Lengden på tråden (~25 cm) ble valgt slik at ved en gitt spenning ville temperaturen på tråden være tilstrekkelig for å fordampe glyserol. Eksperimentene ble utført som følger: Etter at viften i oppsettet ble slått på og ventet til den nådde en stabil drift (omtrent ett minutt), ble spenningen påført tåkeskaperen som ble introdusert i strømmen på stangen. Den bakre veggen av kanalen, motsatt synsglasset, ble malt svart. Visualiseringen ble registrert med et videokamera mens spiralen ble flyttet under eksperimentet for å oppnå den beste visualiseringen av strømningsseparasjonen og for å identifisere grensen (fri) jet (3) som brøt av fra den skarpe kanten av utslippsåpningen, og dermed separerte VZ fra hovedstrømmen. Videoen ble deretter analysert ramme for ramme, og de rammer som var mest karakteristiske for saken, ble trukket ut. Det bør bemerkes at under hvert eksperiment ble dampgeneratoren også beveget i en retning som var vinkelrett på fotografiets plan (layout), det vil si i dybden i kanalen. Dette gjorde det mulig å oppdage en svak sammenheng mellom VZs omriss og kanaldybde. Effekten var kun synlig i umiddelbar nærhet av veggene (foran og bak) av kanaltilkoblingen, noe som bekrefter funnene fra evalueringen av den 3D-naturen til VZs.

Det er viktig å merke seg at de eksperimentelle metodene som ble brukt, inkluderte detaljerte visualiseringer for å spore strømningsseparasjon og identifisere hvordan luften reagerer ved kontakt med kanalveggene. Disse observasjonene er avgjørende for å utvikle presise beregninger av lokale luftmotstandskoeffisienter og for å optimalisere ventilasjonens effektivitet. Når man studerer slike systemer, er det viktig å utføre både numeriske simuleringer og eksperimentelle verifikasjoner for å sikre pålitelighet og nøyaktighet i beregningene.

Det er også nødvendig å forstå hvordan ulike turbulensmodeller, som standard k-ε modellen og Reynolds stress-modellen (RSM), kan påvirke simuleringen av strømning i kanalen. Disse modellene tar hensyn til turbulensens natur og dens innvirkning på trykk og strømning, noe som er viktig når man designer ventilasjonssystemer for å oppnå optimale resultater.

Videre er det avgjørende å bruke riktig meshingteknikk under simuleringen. Meshen (eller nettverket) representerer hvordan dataene fra den fysiske modellen blir delt opp for numerisk behandling. En for fin mesh kan føre til unødvendige beregningskostnader, mens en for grov mesh kan resultere i unøyaktige resultater. Å bruke en progressiv mesh-tetthetsmetode, som først finjusteres over hele beregningsområdet og deretter tettes ved kanalens vegger og åpningene, er avgjørende for å oppnå presise resultater.

Ved å kombinere eksperimentelle observasjoner med sofistikerte numeriske metoder, kan man optimalisere utformingen av ventilasjonssystemer, minimere energitap og oppnå bedre luftstrømning, som igjen kan forbedre både komforten og energieffektiviteten i bygninger.

Hvordan påvirker formen på åpninger luftstrømmen i ventilasjonssystemer?

I luftstrømmen gjennom ventilasjonskanaler er det mange faktorer som påvirker effektiviteten, spesielt når det gjelder åpningens geometri. En viktig del av denne prosessen er utviklingen av virvelsoner (VZ) som dannes rundt åpninger i kanalene. Dette kan ha stor betydning for luftmotstand (LDC) og dermed for systemets energiforbruk og ytelse. Ved å analysere og optimere formen på slike åpninger, kan man redusere luftmotstanden og dermed forbedre effektiviteten til hele ventilasjonssystemet.

Virvelsonen (VZ) er et resultat av turbulens som oppstår når luft strømmer gjennom åpninger i kanaler, spesielt når det er et trykkfall eller en endring i hastigheten ved åpningens kant. Figur 3.9 viser hvordan forskjellige strømningsforhold påvirker dannelsen av VZ, sammenlignet med numeriske simuleringer. For alle de testede strømningsforholdene er det en god samsvar mellom eksperimentelle data og numeriske resultater i begynnelsen av VZ-dannelsen. Dette bekrefter en generell trend som ble oppdaget i numeriske undersøkelser: Høyere forhold mellom de to strømningshastighetene (G / G) fører til økte dimensjoner på VZ, noe som gjør at luftstrømmen nærmer seg åpningen i en vinkel nærmere normalplanet.

Når luftstrømmen nærmer seg åpningen, blir den sterkt turbulent, spesielt når jetstrømmen fra åpningen blandes med luften som strømmer forbi åpningens midtpunkt. Dette gjør det utfordrende å visualisere VZ langs hele lengden, ettersom turbulensen forstyrrer den predikerte strømningen. Dette fenomenet ble studert ved å variere størrelsen på åpningene og strømningsforholdene, noe som førte til bestemmelser av VZ-konturene for forskjellige størrelser på åpningene (h / b = 0,32, 0,6, 1,0, 1,5, 2,0).

For å gjøre dette lettere, ble en skala-koeffisient, k, introdusert for å kunne plotte de gjenværende VZ-konturene basert på en "grunnleggende" kontur. Den grunnleggende konturen for VZ ved et strømningsforhold på G / G ≈ 0,5 ble brukt som referanse for de andre konturene. Det ble også vist at disse konturene overlagres ganske godt, med unntak av når strømningsforholdene er svært lave eller svært høye, der andre faktorer, som påvirkning fra kanalveggen, begynner å påvirke konturene.

Når det gjelder geometrien for åpninger, kan man ved hjelp av skaleringsforholdene, som er definert ved en potenslov, forutsi VZ-konturene for andre strømningsforhold. For eksempel kan forholdet mellom k og G / G beskrives ved en matematisk funksjon, som kan brukes til å beregne VZ-konturer for forskjellige åpningstyper. Disse funksjonene gjør det lettere å tilpasse ventilasjonssystemer til spesifikke krav og strømningsforhold.

For å oppnå best mulig ytelse på tvers av et bredt spekter av strømningsforhold, er det viktig å bruke en form som balanserer luftmotstanden både ved lave og høye strømningsforhold. I dette tilfellet viste det seg at "shape 0,504" var den beste løsningen, da den oppnådde en jevn og effektiv reduksjon av luftmotstanden i hele strømningsområdet.

Disse observasjonene understreker viktigheten av å forstå hvordan geometri og strømningsforhold påvirker luftmotstanden i ventilasjonssystemer. Det gir innsikt i hvordan man kan designe mer effektive ventilasjonssystemer ved å tilpasse åpningene og deres former etter de spesifikke behovene i bygningene eller anleggene de brukes i.

Endelig er det viktig å merke seg at selv om forskjellige former kan være mer effektive under bestemte strømningsforhold, er det et kontinuerlig behov for eksperimentelle data og numeriske simuleringer for å validere og forbedre disse designene. Kombinasjonen av teori og praksis er avgjørende for å oppnå de beste resultatene i praksis, og slik forskning kan bidra til å utvikle mer energieffektive og bærekraftige ventilasjonssystemer i fremtiden.

Hvordan formgiving påvirker effektive ventilasjonsløsninger for utluftingshoder: En dypere forståelse av VZ og SVZ

I tilfelle utforming av spaltehoder, enten det er uten flens eller med flens, har simuleringer gjennom CFD (Computational Fluid Dynamics) vist hvordan det å forme utluftingshoder langs de numerisk bestemte VZ (virtuelle virvelsone) grensene kan redusere LDC betraktelig. Dette skjer ved at strømningsmønstrene justeres slik at luftstrømmen lettere kan bevege seg gjennom systemet uten å pådra seg unødvendig motstand. For eksempel, ved å forme en slisse langs den første VZ, kan man oppnå en reduksjon på 28,2% i LDC sammenlignet med et uformet hode. Videre, ved å fortsette formingen langs andre og tredje VZ, kan LDC reduseres ytterligere, men effekten flater ut etter et visst punkt.

Imidlertid bør det bemerkes at selv om formgiving kan redusere LDC og forbedre strømningsmønstrene, er det ikke alltid mulig å eliminere virvelsone-effekter helt. Etter formgiving langs den første VZ vil det fortsatt dannes sekundære virvelsoner (SVZ), som kan føre til små men merkbare tap i effektivitet. Dette er spesielt relevant når flensvinkelen på hodet er stor, for eksempel 90 grader. I slike tilfeller vil fortsatt en viss grad av virvelsone-dannelse oppstå, selv etter at formingen er fullført langs de primære VZ-områdene.

Ved å bruke CFD-modellering kan man videre optimalisere utformingene for ulike typer utluftingshoder. Den numeriske simuleringen viser at jo større VZ, desto mer effektiv blir reduksjonen i LDC. For eksempel, et utluftingshode med en flensvinkel på 90 grader har en betydelig høyere effektivitet enn et hode med mindre flensvinkler. Når flensens lengde øker, øker også effektiviteten, men det er viktig å merke seg at effekten avtar når flenslengden overstiger et visst punkt.

I tillegg til de tekniske aspektene av formgiving, er det viktig for designere og ingeniører å forstå hvordan forskjellige flensvinkler og hodestørrelser påvirker de samlede ytelsene til systemet. Simuleringer viser tydelig at for utluftingshoder med en flensvinkel på 90 grader, oppnås den største reduksjonen i drag (Δζ) ved å forme hodet på riktig måte i henhold til de numerisk bestemte VZ-områdene.

Det er essensielt å forstå at den optimale utformingen av et utluftingshode ikke nødvendigvis betyr fullstendig eliminering av virvelsone-dannelser, men heller en balansert tilnærming der man reduserer disse effektene så mye som mulig uten å kompromittere andre viktige designparametre, som effektivitet, plassbehov og kostnader. Videre vil fortsatt forskning på disse emnene kunne gi mer detaljerte innsikter som kan hjelpe til med å finjustere designene ytterligere.

Hvordan strømningstap og virvelformasjon påvirker ventilasjon i eksosrør

Forståelsen av virvelsone (VZ) i et system med ujevn strømning, som i tilfelle av en eksosrør med en T-forgrening, er avgjørende for å evaluere trykktap og optimere designet av ventilasjonssystemer. Eksperimentelle data viser at virvelsonen utvider seg i både høyde og lengde etter hvert som andelen strømning som passerer gjennom sidegrenen øker. Dette forholdet er nærmere beskrevet av ulike matematiske modeller som kan brukes til å predikere utviklingen av virvelsoner i en T-forgrening.

En viktig observasjon er at strømningens forhold mellom hovedrøret og sidegrenen (G/G_B_M) direkte påvirker både størrelsen på virvelsonen og dens plassering i systemet. Ved et forhold på G/G_B_M = 0.4 har virvelsonens ytre kontur en bemerkelsesverdig god overensstemmelse med numeriske beregninger, selv om eksperimentelle data kan vise en noe større avvik. Dette viser at numeriske metoder gir en god tilnærming for å forstå de kompliserte strømningene i slike systemer, men at eksperimentelle verifikasjoner fortsatt er nødvendige for å fange alle detaljer i den faktiske strømningen.

I analysen av virvelsonens egenskaper er det avgjørende å benytte seg av dimensjonsløse koeffisienter som bestemmer virvelsonens lengde og høyde i forhold til T-forgreningens bredde. Ved å bruke de bestemte formlene som beskriver disse forholdene, kan man få en presis beskrivelse av virvelsonens egenskaper for ulike strømningsforhold. Eksempelvis, for å beregne koordinatene til karakteristiske punkter i virvelsonen, kan vi benytte formler som relaterer seg til G/G_B_M-forholdet, og få verdier som lett kan implementeres i designprosesser for å forbedre luftstrømningen i systemet.

En praktisk metode for å visualisere strømningen og virvelsonen, er ved hjelp av en glyserol-mist sportråd, som kan gi en nøyaktig fremstilling av virvelsonens grenser. Dette eksperimentelle oppsettet bidrar til å sammenligne de numeriske forutsigelsene med den faktiske strømningen i et eksosrør. Forskjellene mellom eksperimentelle og numeriske resultater er vanligvis små, men det er viktig å merke seg at dette avhenger av flere faktorer som kan påvirke strømningens stabilitet, som geometriske egenskaper og strømningshastigheter.

Når det gjelder påvirkningssoner (IZ) skapt av T-forgreningene, er det påvist at trykkfordelingen i rørene er ikke-lineær innenfor disse sonene. Dette er et resultat av både friksjonstap og deformasjon i strømningen. På en hovedgren kan trykkfallet være ganske jevnt, men det er i de områdene der strømningen møter forgreningene at trykktapene øker betraktelig, særlig på grunn av strømningsadskillelse og dannelsen av virvelsoner.

Det er viktig å forstå at disse trykkfordelingene og virvelsonene ikke bare er en matematisk abstraksjon, men faktisk har praktiske implikasjoner for designet av ventilasjonssystemer. Korrekt å forstå og modellere disse virvelsonene er essensielt for å kunne kontrollere strømningstapene, optimalisere ytelsen til ventilasjonssystemet, og forhindre unødvendig energiforbruk som følge av ineffektiv luftstrømning.

I tillegg til å forstå dynamikken til virvelsonene og påvirkningssonene, er det avgjørende å vurdere hvordan slike soner kan minimeres eller kontrolleres. For eksempel, ved å endre rørgeometrien eller justere strømningsforholdene, kan man redusere dannelsen av store virvelsoneområder som fører til store trykkfall og økt energiforbruk. Dette kan være avgjørende for å forbedre effektiviteten i industrielle prosesser, spesielt i systemer som krever høy pålitelighet og lavt energiforbruk.