Hvordan påvirker forholdet B/A konturen av virvelsone i kanaler?

Konstruksjonen av virvelsonene (VZ) for kanaler med ulike forhold mellom høyde og bredde (B/A = 1, 2, 4, 6) kan visualiseres på forskjellige måter i grafiske fremstillinger. Disse visningene omfatter både projeksjoner på ulike plan og tverrsnitt i både lengderetning og på tvers av kanalen. Langsgående seksjoner er parallelle med XY-planet, mens tverrsnitt er parallelle med ZY-planet. For å muliggjøre en sammenligning mellom VZ-konturene i ulike seksjoner, har alle tilfellene av B/A blitt plottet med utgangspunkt i kanalens akse og mot veggen, med avstander som utgjør henholdsvis 1, 0,8, 0,6, 0,4, 0,2 og 0 av den tilsvarende kanalens halvbredd – for langsgående seksjoner er dette A, og for tverrsnitt er det B.

Langsgående seksjoner for alle B/A-forholdene er vist kun for tilfellet der A = B (figur 6.8a), mens tverrsnitt er vist for alle B/A-forholdene. I figurene ser vi at den maksimale tykkelsen på virvelsonen er observert i midten av innløpet til eksoskanalen, og at tykkelsen minker betydelig mot hjørnene. Strømlinjen som dannes fra hjørnet beveger seg bort fra kanalens faste vegger, og i tillegg svekkes veggens innflytelse på konturen av virvelsonen i sentrum av kanalen. På langsgående seksjoner i Z/A = 0,2 og 0 (på aksen) ser vi at VZ-konturene praktisk talt sammenfaller.

Når vi sammenligner de frie strømlinjenes overflater ved ulike høyde-bredde-forhold for den rektangulære eksoskanalen, kan vi observere et mønster. Strømlinjen som brytes av kanalens sidevegg (i langsgående seksjoner, figur 6.12a) endrer seg nesten ikke med en økning i kanalens bredde. Kun posisjonen til strømlinjen fra hjørnet endres svakt (Z/A = 1). På tversnitt, derimot, avhenger den dannede virvelsonens form i stor grad av kanalens bredde, bortsett fra strømlinjen som kommer fra hjørnet (X/B = 1).

Analysene viser videre at for den første strømlinjen som løsner fra hjørnet (X/B = 1), er veggens innflytelse så sterk at konturene av virvelsonen praktisk talt sammenfaller. Etter hvert som vi beveger oss bort fra veggen, begynner VZ-konturene å avhenge mer av kanalens bredde B. Dette fenomenet observeres tydeligst når vi ser på seksjonene med X/B = 0,8 og X/B = 0,6, der strømlinjenes konturer i stor grad samsvarer med hverandre, spesielt for de bredere kanalene.

For et kvadratisk kanal med B/A = 1 ser vi derimot at konturene er betydelig forskjellige, noe som indikerer en sterk innflytelse fra veggene på strømmen selv nær kanalens akse. Dette resultatet støttes av data om hastighetsfeltene og virvelsonene som ble beregnet ved hjelp av DVM (Dynamisk Virvelmetode), som også stemmer overens med kjente teorier og eksperimentelle data, og gir en detaljert beskrivelse av separasjonsstrømmene i kvadratiske kanaler.

Det er viktig å merke seg at virvelsonenes konturer og strømningsfelt i kanalene varierer betydelig avhengig av forholdet mellom kanalens høyde og bredde (B/A). Dette kan ha direkte betydning for effektiviteten til eksossystemer i praktiske anvendelser, som for eksempel ventilasjonskanaler i bygninger. Forståelsen av hvordan vegger påvirker strømningsmønstre i ulike kanaltyper er også avgjørende for energibesparelser ved bruk av eksossystemer, ettersom en mer presis kontroll av luftstrømmen kan føre til en mer effektiv drift og reduserte energikostnader.

Videre er det relevant å forstå hvordan kanalens utforming, med tanke på bredde og høyde, kan påvirke virvelsonenes form og størrelse. Dette kan være spesielt viktig i utformingen av ventilasjonsanlegg der ønsket luftstrøm bør opprettholdes over lange avstander uten at luftkvaliteten svekkes eller energiforbruket økes unødvendig. Ytterligere forskning kan bidra til å optimalisere disse systemene for spesifikke praktiske behov, slik som i store industrielle anlegg eller i bygninger med komplekse ventilasjonssystemer.

Hvordan Komprimering på Luftstrømmen Påvirker Luftekanaler i Ventilasjonssystemer

For de to ekstreme tilfellene, en frittstående inngangsrør (S/b = ∞) og en spalteåpning i en uendelig vegg (S/b = 0), ble komprimeringskoeffisienten δ funnet henholdsvis som 0,5 og π/(π + 2). De tilsvarende verdiene for LDC var henholdsvis ζ = 1 og ζ = 0,405285. Flere studier har vist hvordan dynamiske ventilasjonsmodeller (DVM) og konforme kartlegginger kan brukes effektivt til å løse problemer knyttet til luftstrømmer mot eksosåpninger med mer komplekse geometriske former, som eksoshoder med firkantede tilkoblinger som er fritt plassert i rommet eller utstyrt med ugjennomtrengelige skjermer (Logachev et al., 2010a, 2010b; Averkova et al., 2013).

Når det gjelder luftstrømmer mot sidemonterte eksosåpninger, er de aerodynamiske fenomenene nært knyttet til strømmen i en T-krysskanal. Hovedstrømmen som passerer gjennom kanalen blandes med luften som kommer inn fra åpningen, og dette fører til trykktap. Forskjellen er at i T-krysset kommer luften inn fra en lateral kanal som er tilkoblet hovedkanalen i en vinkel på for eksempel 90 grader, noe som skaper en virvelsone når luften gjør en skarp sving. I tilfelle en sideåpning kommer luften fra et ubegrenset rom og gjør en 180° sving.

I den russiske "Designer’s Handbook" (Barkalov et al., 1992) finner vi data for trykktap i slike systemer, men det er usikkerhet rundt kildene til dragverdiene for sideåpninger, ettersom ikke alle nødvendige data er tilgjengelige i standardverkene som Idel’chik (1992). Der er det kun informasjon for et begrenset område av parametere, som forholdet mellom åpningens areal og kanalens tverrsnitt, som varierer fra 0,1 til 0,6, og strømningshastigheter som varierer mellom 0,1 og 0,5.

En annen viktig studie utført av Saito og Ikohagi (1994) viste hvordan LDC-verdier for luftstrømmer som passerer gjennom kanalen ved en mellomliggende eksosåpning og sideåpninger kan bestemmes eksperimentelt. Deres forsøk med et kvadratisk rør med sidekanaler på 60 mm og forskjellige åpningdiametre (fra 20 mm til 60 mm) bekreftet at LDC varierer fra 0 ved null strømningshastighet til omtrent 1,05 ved høyere strømningshastigheter. Funnene stemmer overens med dataene fra Maeda et al. (1960), som behandlet strømningene i T-kryss, og viser en god match mellom strømningene for passasjer og for en mellomliggende eksosåpning.

Henzhonkow og Davydenko (1959) gjennomførte eksperimenter for å finne LDC-verdier for sideeksosåpninger, og deres resultater viser at LDC avtar sterkt når forholdet mellom åpningens størrelse (F) og kanalens tverrsnittsareal (O) overstiger omtrent 0,9. Når åpningen blir for stor, endres strømningens natur, og luften beveger seg i to strømninger langs kanalens vegger. Dette kan føre til komplekse strømningsmønstre som krever spesifikke beregninger for å optimalisere ventilasjonssystemer med slike åpninger.

Erfaringene fra disse studiene viser at detaljer som kanalens geometri, åpningens plassering, samt forholdet mellom strømningshastighet og åpningens størrelse er avgjørende faktorer for å forstå og beregne effektiviteten av ventilasjonssystemer. I tillegg til dataene som allerede er nevnt, bør det også tas hensyn til effekten av temperaturgradienter, trykkforhold og luftens tetthet i komplekse systemer. For optimal ytelse må designere derfor vurdere disse parametrene sammen med de eksperimentelle funnene for å skape effektive, energieffektive og pålitelige ventilasjonssystemer.