I moderne strømningsdynamikk er det viktig å sikre nøyaktigheten til numeriske simuleringer for å forstå hvordan væske eller gass beveger seg gjennom ulike geometrier, som for eksempel T-koblinger. For å oppnå pålitelige resultater i slike beregninger er det avgjørende å ha en konvergent meshing, som også må tilpasses etter hvert som simuleringen utvikler seg.

En grunnleggende tilnærming til meshing ble brukt i en serie eksperimenter der den dimensjonsløse parameteren y* ble brukt for å vurdere mesh-konvergensen. Etter syv tilpasninger oppnådde man konvergens ved at y* nærmet seg 50. Dette viste at meshingen var tilstrekkelig fin for simuleringen, og at ytterligere tilpasninger ikke gav vesentlige endringer i resultatene. Meshens lineære cellestørrelser varierte fra 0,195 mm til 1,25 cm, og beregningene involverte et totalt antall på 472 140 celler og 615 265 noder.

For en flatt, ujevn forsyning T-kobling, ble det etter ni tilpasningstrinn valgt en optimal meshing som ga y* ≈ 44. Her var forskjellen i trykkforandringer langs kanalen mindre enn 0,7 % mellom tilpasningstrinn 8 og 9, mens de lokale motstandskoeffisientene (LDC) avvek med mindre enn 0,06 % mellom de samme trinnene. Dette tydet på at beregningene var både nøyaktige og stabile på tvers av iterasjonene. Den minste cellelengden var omtrent 7 mm, og beregningene involverte 1,8 millioner celler og 2,4 millioner noder.

En annen viktig case involverte en ujevn eksos T-kobling, der de beregnede verdiene for LDC ved siste tilpasningstrinn var ζ = 0,59 og ζ = 0,7. Dette ble sammenlignet med Idel’chiks (1992) data for G/SBBG, som viste ζ = 0,57 og ζ = 0,55. Denne avvikelsen på 3,4 % i ζ og 21 % i MSBS indikerte en moderat avvik mellom simuleringene og litteraturen. Tilsvarende, for en forsynings-T-kobling ble LDC-verdiene ζS = 0,525 og ζB = 0,413 sammenlignet med dataene fra Idel’chik, og avviket ble vurdert som innenfor akseptable grenser (10%).

Den beregnede forskjellen i drag mellom forsyningens divergerende og sammensmeltende T-koblinger er betydelig. Dette indikerer en stor forskjell i strømningsmønstrene i disse to geometriene, som krever spesifikke tilpasninger i analysene. Ved å sammenligne resultatene av numeriske simuleringer og eksperimentelle data, kan vi bedre forstå de forskjellige strømningstilstandene i ulike T-koblinger og hvordan disse påvirker de lokale motstandene.

En annen viktig del av analysen ble utført ved hjelp av orifiseringsplater i eksperimentelle tester, der flere verdier av LDC ble innhentet ved forskjellige plateposisjoner. Disse testene resulterte i en rekke forskjellige strømningsforhold som reflekterte endringer i forholdet G/G, fra 0,2 til 0,78. De innsamlede dataene ble deretter sammenlignet med numeriske løsninger, og det ble funnet at de numeriske resultatene generelt ga høyere verdier, men at det var en god overensstemmelse både kvantitativt og kvalitativt.

Når det gjelder dragverdier, ble det observert at drag for en forsyning T-kobling samsvarte godt med litteraturdata for en eksos sammensmeltende T-kobling, men avvek betydelig fra drag for en divergerende T-kobling. Dette understreker den viktige forskjellen mellom ulike typer T-koblinger og behovet for presis modellering for å få nøyaktige resultater.

Videre er det viktig å merke seg at ulike simuleringsmetoder kan gi noe forskjellige resultater, og det er viktig å sammenligne disse med eksperimentelle data for å validere modellene. Beregningene fra Idel’chik (1992) og de nyere simuleringene som ble utført, viser klare trender som kan hjelpe til med å forbedre både designprosesser og forståelsen av strømningsdynamikk i T-koblinger.

For å oppnå pålitelige resultater i slike komplekse beregninger, må det tas hensyn til flere faktorer som meshingens oppløsning, strømningsforholdene, og geometrien til T-koblingen. I tillegg er det nødvendig med kontinuerlig testing og validering av simuleringene for å sikre at de reflekterer virkelige forhold.

Hvordan påvirker utforming av plutselige utvidelser trykkmotstanden og strømningens stabilitet?

Ved numerisk simulering av strømning gjennom plutselige utvidelser i kanaler er det avgjørende å oppnå maskeuavhengige løsninger. Dette krever gradvis masketilpasning, først over hele domenet, deretter spesielt langs faste grenser. Den groveste initialmasken hadde en minste celle­størrelse på 0,003 m og totalt 2938 celler. Den masken som ga den endelige løsningen hadde en minste celle­størrelse på 1,49·10⁻⁵ m og besto av omtrent 2,9 millioner celler. I hver tilpasningsrunde ble problemet løst på nytt for å bestemme den lokale motstandskoeffisienten (LDC). Når verdien for y⁺ i nær-vegg-området ble mindre enn 60, endret LDC seg minimalt, noe som viser at masken var tilstrekkelig raffinert og løsningen uavhengig av maskestrukturen.

Et viktig funn er den drastiske reduksjonen i trykkfall for utformede (formede) plutselige utvidelser sammenlignet med skarpe, ikke-utformede. For eksempel ble LDC for en utformet plutselig utvidelse målt til 0,013, mens den for en skarp utvidelse var 0,09 – en reduksjon på omtrent seks ganger. Denne forbedringen i strømningsmotstand er også uavhengig av utvidelsesgraden, uttrykt som forholdet b₁/b₀ mellom kanalens bredde etter og før utvidelsen. Den reduserte motstanden ved utforming følger godt en tilnærming lik Borda–Carnot-formelen:

 ζ_shaped = –0,065 + 0,26·(1 – b₀/b₁)

Denne ligningen avviker med mindre enn 9 % fra de numerisk bestemte verdiene og er godt egnet for teknisk anvendelse. Utformede komponenter kan dermed dimensjoneres og optimaliseres ved hjelp av denne formelen, noe som er implementert i nettbaserte kalkulatorer for lokale trykkfall.

Likevel kan ikke all virvelstruktur fjernes fullstendig gjennom utforming. I utvidelsesområder oppstår det sekundære virvelsoner (SVZ) som vokser med økende utvidelsesgrad. Ved liten utvidelse er disse sonene ubetydelige, og videre forming i dette området har liten innvirkning på LDC. Men ved store utvidelser blir SVZ betydelige, og det antas at ytterligere forming i dette området kunne redusert LDC ytterligere. Problemet er imidlertid at en slik utforming ville medført en vesentlig økning i komponentens fysiske størrelse, noe som gjør dette upraktisk i de fleste ventilasjonssystemer. Det er derfor mest rasjonelt å utføre forming hovedsakelig langs den primære virvelsonen, hvor mesteparten av strømningsadskillelsen og motstand oppstår.

Det er verdt å merke seg at geometrien for utforming av plutselige utvidelser avviker fra den som benyttes i t-stykker. I sistnevnte oppstår SVZ i langt mindre grad, noe som skyldes strømningens særtrekk i utvidelser, der et positivt trykkgradient fremmer separasjon – et fenomen godt kjent fra diffusorstrømning.

En annen konsekvens av utforming er endringer i influenssonenes lengde (IZ) før og etter utvidelsen. Selv om utformede utvidelser reduserer LDC og delvis undertrykker virvelsoner, medfører de også en forlengelse av nedstrøms influenssoner, særlig ved høy utvidelsesgrad. Den oppstrøms IZ forblir uendret sammenlignet med ikke-utformede utvidelser, men den nedstrøms sonen blir lengre enn i en tilsvarende ikke-utformet variant. Dette skjer fordi deformasjon av strømningen under ekspansjon ikke forhindres fullstendig, til tross for redusert virveldannelse. Det er nettopp eksistensen av SVZ som fører til at forstyrrelser i strømningen sprer seg over en større lengde i kanalen.

For leseren er det avgjørende å forstå at effektivisering av ventilasjonssystemer ikke kun handler om å redusere lokale trykkfall, men også om hvordan strømningen reorganiserer seg etter slike inngrep. Ved optimal utforming kan trykkmotstanden minimeres uten å skape store, uhåndterlige komponenter, men man må samtidig ta hensyn til hvordan sekundære strømningseffekter, som virvelsoner og utvidede influenssoner, påvirker hele systemets dynamikk. I praksis krever dette at man vurderer både lokale og globale effekter av utforming, og implementerer numeriske metoder med tilstrekkelig meshoppløsning for å fange opp disse fenomenene med nødvendig presisjon.

Hvordan bestemme og analysere støvpartikler i arbeidszonen: Teoretiske og eksperimentelle metoder

For å forstå dynamikken i støvpartikler i arbeidsmiljøet og deres påvirkning på helsen, er det nødvendig å bruke spesifikke metoder for beregning og simulering av både luftstrømmer og støvpartikler. Et sentralt element i denne analysen er den dynamiske formfaktoren for støvpartikler, som kan beregnes ved hjelp av forskjellige formler avhengig av Reynolds-tallet (Re). Denne formfaktoren, χ, beskriver hvordan støvpartikler reagerer på luftstrømmer, og den varierer avhengig av partikkelens størrelse og luftens hastighet.

Beregningene for χ er delt opp i flere intervaller for Reynolds-tallet:

  • For Re < 0,2: χ = 1 / (−0,843 lg(0,065 f)),

  • For 0,2 < Re < 2000: χ = f^0,9 Re^0,15 f^−1,

  • For Re > 2000: χ = 1 + 11,6(f − 1).

I disse formlene representerer Re Reynolds-tallet, Ar er partikkelens aspektforhold, f er forholdet mellom overflaten til partikkelen og dens volum, og d er diameteren av en ekvivalent sfære.

I tillegg til å beregne den dynamiske formfaktoren, benyttes simuleringsmetoder som den diskrete vortex-ringmetoden (Logachev et al., 2018b, 2019) for å modellere luftstrømmen rundt utslippskanaler, spesielt i situasjoner hvor støvpartikler kan trekkes inn i ventilasjonssystemer. Disse metodene er blitt validert gjennom omfattende sammenligninger med eksperimentelle data, og gir et pålitelig grunnlag for å vurdere bevegelsen til støvpartikler i et arbeidsmiljø.

Ved å numerisk integrere differensialligninger for støvpartiklenes bevegelse, kan man spore deres ferd mot ventilasjonssystemet eller avgjørende punkter i arbeidsområdet. Dette er viktig for å evaluere effektiviteten til ventilasjonssystemer og deres evne til å fange opp farlige partikler før de når arbeidszonen. De numeriske modellene tar hensyn til faktorer som luftstrøm, partikkelens terminalhastighet (c), og dens resistens mot luftmotstand (ψ), som igjen avhenger av Reynolds-tallet og partikkelens størrelse.

Videre er det avgjørende å forstå de fysiske og kjemiske egenskapene til støvpartiklene som finnes i arbeidsmiljøet. Et eksperimentelt studie som analyserte tre forskjellige støvsamlinger fra manuell og mekanisert neglbehandling, viste at støvpartiklene hadde en tetthet på omtrent 1250 kg/m3 for manuelle behandlinger og 1240 kg/m3 for den mekaniserte behandlingen. Partikkelenes dynamiske formfaktor varierte mellom 1,38 og 1,55. Støvet som ble analysert, inneholdt farlige kjemikalier som fenol og formaldehyd, som begge tilhører fareklasse 2 (høyt farlig). Konsentrasjonen av formaldehyd og fenol i arbeidszonen ble estimert å være langt under de gjeldende eksponeringsgrensene for gassformige stoffer, men data for støvpartiklenes spesifikke grenseverdier er fortsatt mangelfulle.

For å gjøre en nøyaktig vurdering av støvets sammensetning i lufta, er det viktig å samle støvprøver direkte fra pustenheten, der partikkelstørrelsesfordelingen kan variere. Imidlertid, for å gjøre et omtrentlig estimat, kan man bruke støv som har satt seg på bordflater, med forutsetningen om at sammensetningen i de to områdene er lik. For å analysere støvets fraksjonsinnhold ble partikkelstørrelsen analysert i området fra 0,1 til 103 μm, og fordelingen ble beregnet på bakgrunn av total masse som ble samlet opp. Den resulterende analysen ga viktig informasjon om mengden PM2.5 og PM10 partikler i luften.

Eksperimentene som ble utført på støvsamlingene viste at størrelsen på partiklene varierer, og deres fordeling i luften er kritisk for helserisikoen. Støvet i arbeidsmiljøet kan inneholde partikler som er små nok til å komme inn i de dypeste delene av lungene, og det er derfor viktig å utvikle nøyaktige modeller som kan forutsi hvor effektivt et ventilasjonssystem vil være for å fange og fjerne disse partiklene.

Erfaringene fra dette eksperimentet fremhever behovet for bedre metoder for å fange opp støvpartikler i arbeidsmiljøet, samt presis vurdering av de potensielle helsefarene som støv kan medføre. For eksempel er eksponering for støv som inneholder fenol og formaldehyd et helseproblem, og det er nødvendig med videre forskning for å finne eksponeringsgrenser for støvpartikler som inneholder disse stoffene. Videre bør arbeidsplassene innføre effektive ventilasjonssystemer og overvåking for å beskytte arbeidstakernes helse.

Hvordan utformingen av lokale utsug kan forbedre effektiviteten i støvfangst

Når det gjelder lokal utsuging av støvpartikler, er det viktig å forstå hvordan ulike faktorer påvirker effektiviteten i fangstområdet. En av de viktigste parameterne er hastigheten til luftstrømmen som går inn i utsugshooden. Etter at rekkevidden for fangst er nådd på sitt minimum, vil den imidlertid kunne økes igjen, takket være de større inerti-kravene til de større partiklene. Deres inerte bevegelse ved høyere innledende hastigheter gjør at de kan komme nærmere utsugshooden enn hva mindre partikler gjør. Når den terminale hastigheten overskrider 5 m/s, forblir fangstområdet nesten uendret og stabiliseres på en verdi nært 10 ganger radiusen på hoodsystemet. Dette kan være et viktig aspekt når man vurderer designet av slike ventilasjonssystemer, spesielt i arbeidsmiljøer der fine partikler er en fare, som i manikyrstudioer.

En interessant videreføring av dette kan være å se på hvordan utformingen av kantene på den lokale utsugshooden kan påvirke rekkevidden for støvpartikkelfangst. Strømlinjer for en formet lokal utsugshood viser nesten ingen forskjell i forhold til en uformet hood, bortsett fra i området nær inngangen til hoodsystemet. Her kan en innsnevring av luftstrømmen uten riktig shaping føre til problemer med partikkelfangst. Selv om dette er et mindre område, påvirker det hastighetsfordelingen i nærheten av hoodsystemets inngang.

Etter en viss avstand fra inngangen, for eksempel mer enn to ganger radiusen til hoodsystemet, blir forskjellene i hastighetskomponentene knapt merkbare. Dette fører til at kurvene for fangstområdet, når de plottes som en funksjon av terminalhastigheten, nesten overlappes for både formede og uformede utsug. Dette betyr at de generelle lovene og forholdene som ble identifisert for uformede hoodsystemer også gjelder for de som er formet, så lenge hastigheten på utsugsluftstrømmen holdes konstant.

Særlig i arbeidsmiljøer som manikyrsalonger, kan støvkoncentrasjoner av partikler som PM2.5 og PM10 nå bekymringsfulle nivåer – langt over grenseverdiene for eksponering. En undersøkelse har vist at støvkoncentrasjonen på en manikørarbeidsplass kan nå 23,5 mg/m³, inkludert 0,74 mg/m³ for PM10 og 0,901 mg/m³ for PM2.5, noe som utgjør en betydelig helsefare. Dette viser klart behovet for et effektivt lokalt utsug for å beskytte arbeiderne mot helseskader forårsaket av langvarig eksponering for disse partikkene. Bruken av formede hoodsystemer kan her spille en avgjørende rolle i å forbedre ventilasjonens effektivitet ved å redusere støy, eliminere virvelsoner som kan føre til gjentatt støvutslipp, og redusere trykktapet i systemet.

For å sikre at ventilasjonssystemene er designet på en måte som beskytter arbeidstakerne effektivt, må disse avhengighetene og de praktiske fordelene ved formede utsugshoder vurderes nøye. Det er viktig å påpeke at valget av riktig design for lokale utsug, i tråd med de identifiserte forholdene, er avgjørende for å sikre et trygt arbeidsmiljø der støv og skadelige damper ikke utgjør en helsefare.

Hvordan endringer i det demokratiske partis nominasjonsprosess påvirket amerikansk politikk fra 1960-årene til 1970-årene
Hvordan spionasje og personlige forbindelser påvirket etterretning under første verdenskrig
Hvordan lage en interaktiv filmapplikasjon med React og TMDB API