Hvordan oppnå optimal meshstruktur og geometri for effektiv ventilasjonsberegning

Programmet analyserer koordinatene i det innlastede arrayet og fjerner mellomliggende verdier, samtidig som brukeren kan se resultatet og velge å slette flere punkter eller returnere til den opprinnelige tilstanden. Punktfjernelsen må utføres på en måte som gjør at polyline, som definerer den resulterende formen, reflekterer den opprinnelige glatte profilen. Dette må gjøres uten å inkludere unødvendige detaljer, da dette kan føre til overflødig belastning på mesh-generatoren og komplisere beregningene i prosessoren. Når et optimalt antall punkter er oppnådd, må forbehandleren (meshbyggeren) kjøres for å bygge mesh ved hjelp av disse koordinatene. For å effektivisere denne arbeidsintensive operasjonen, har vi utviklet "AutoCAD Builder" – et hjelpeverktøy som gjør det mulig å opprette VZ-konturpunkter automatisk i AutoCAD og etablere den nødvendige geometriområdet for beregningene. Den resulterende geometrien kan deretter importeres til Gambit-forbehandleren via det mellomliggende IGES-formatet.

Videre behandling og analyse av funnene ble gjennomført for problemene med mesh Nr. 8. Det ble observert at det dannes en mindre VZ i det ytre hjørnet av bøyen, men for å forenkle analysen ble det første stadiet fokusert på den første VZ som dannes ved at strømningen bryter den skarpe kanten på bøyens indre hjørne. I 2D-modeller kan de ytterste ("frie") strømlinjene brukes til å bestemme formen på VZ, da de skiller VZ fra hovedstrømningsområdet. Dette er ikke mulig i 3D-modeller, og derfor ble kanalen delt i 11 longitudinelle tverrsnitt, der strømningens mønstre ble definert som vektorfelt. Avstanden mellom de to ytterste tverrsnittene (nær veggene) ble valgt å være dobbelt så liten som mellom de andre tverrsnittene. Figur 2.6a viser en 3D-strømningsseparasjonssone oppnådd på denne måten, som deretter brukes som den første versjonen av den formede bøyemodellen.

Løsningen for alle de beskrevne tilfellene inkluderte en "grid-konvergens"-studie. Mesh-parameterne etter tilpasningene er vist i tabell 2.2. Det kan ses at versjonene med 3D-profiler (Nr. 1 og 2) reduserer LDC betydelig sammenlignet med det ikke-formede designet (~54 %) og er ikke veldig forskjellige fra hverandre. Bruken av en form som er avledet fra en 2D-modell gir også en betydelig reduksjon i LDC, men er ikke langt bak (ca. 9 %) versjonene #1 og #2. Bruken av 3D-modeller møter flere utfordringer, både i den numeriske simuleringen av formene og under senere produksjon av formede fittings. I tillegg kompliserer bruken av slike former designet for kanaltilkoblinger unødvendig, og fordelene ved å redusere LDC er beskjedne sammenlignet med 2D-forming. Derfor vil alle fremtidige studier av VZ-konturer fokusere på 2D-modeller for kanaltilkoblinger, og de resulterende 2D-konturene vil bli brukt til å utvikle mer energieffektive design.

Hvordan Forming av Hoods Påvirker LDC: CFD vs DVM

I studier av utløp og ventilasjon er en av de mest sentrale parametrene luftstrømmenes hastighet og turbulensnivå rundt utløpshoder, som ofte kalles "hoods". For å optimere ytelsen av slike systemer benyttes både CFD (Computational Fluid Dynamics) og DVM (Direct Vortex Method) til å evaluere hvordan ulike former på hodestrukturen påvirker LDC (Luftdyktighetskoeffisient), et mål for effektiviteten til systemet. Ved å analysere hvordan forskjellige design av hodestrukturen påvirker luftstrømmen, kan man oppnå betydelige forbedringer i både hastighet og effektivitet.

Studier viser at ved å bruke CFD for å forme hodet etter konturene til den første virvelsonen (VZ) kan LDC reduseres med opptil 16%. Når konturene for den andre virvelsonen benyttes, er reduksjonen langt mer betydelig, og LDC kan synke med hele 48%. Dette skjer fordi strømningene gjennom dette området opplever høyere hastigheter, og en bedre tilpasning til VZ-konturen fører til redusert turbulens og bedre strømning. Hvis begge VZ-konturene, både den første og den andre, blir brukt for å forme utløpshodet, kan LDC reduseres med hele 53%.

Videre er det mulig å oppnå enda mer effektive resultater dersom man i tillegg tilpasser utløpshodet til sekundære VZs som oppstår etter at VZ-konturene er brukt. I slike tilfeller kan LDC reduseres med opptil 62%. Denne tilnærmingen viser seg å være spesielt effektiv når man vurderer effekten av formingsmetoder som benytter både CFD og DVM.

Når man benytter DVM for å forme hodet langs konturene av VZ, kan LDC reduseres dramatisk, noen ganger med mer enn 96%. Dette skjer fordi DVM tillater en mye jevnere lukking av VZ-konturene mot veggen av utløpshodet, noe som reduserer dannelsen av sekundære VZs som er vanlige ved CFD-baserte metoder. I noen tilfeller, som ved bruken av DVM for å forme hodet langs begge VZ-konturene, kan LDC falle til så lavt som 0.01, noe som representerer en reduksjon på 98%.

Når man sammenligner CFD- og DVM-baserte metoder, viser det seg at DVM gir bedre resultater for å unngå sekundære virvelsoner. Dette kan være spesielt nyttig i design der man ønsker å unngå turbulens i de kritiske områdene rundt utløpshodet. Men det er også viktig å merke seg at den totale gevinsten i effektivitetsforbedring ikke nødvendigvis er stor nok til å rettferdiggjøre mer kompleksiteten i CFD-metoden, særlig når det gjelder det første VZ.

I praksis kan valget mellom CFD og DVM avhenge av spesifikasjonene for designet, samt ønsket grad av detaljer i simuleringene. For mange design kan DVM være tilstrekkelig og mer kostnadseffektivt, spesielt når det er viktig å unngå store dimensjonsendringer i systemet.

Det er også viktig å forstå at en drastisk reduksjon i LDC ikke nødvendigvis betyr at systemet er mer effektivt i alle tilfeller. For eksempel kan utformingen av et utløpshode som er for smalt eller som har for stor begrensning i strømningen, føre til høyere sugehastigheter i enheten, noe som igjen kan påvirke effektiviteten til hele systemet.

Hvordan beregne og analysere trykkfall i luftkanaler med formede avtrekkshetter

I studier som omhandler luftstrømmer i kanaler, er det avgjørende å vurdere trykkfallet for å forstå strømmens dynamikk og energiutveksling. Spesielt i tilfeller med formede avtrekkshetter, som er vanlige i industrielle applikasjoner og ventilasjonssystemer, er det nødvendig med presise målinger og analyser for å evaluere effektiviteten av disse designene. For å få en bedre forståelse av trykkfallet og strømningsegenskapene, er numeriske simuleringer og eksperimentelle metoder blitt brukt til å studere de endringene som skjer i strømningsdynamikken langs kanalen.

Når vi ser på trykkfallet i kanaler, er det ofte flere segmenter i strømningen som skiller seg ut med ulikt karakteristisk trykkfall. For eksempel, i en rett rørkanal uten en formet hette, vil strømningsdeformasjoner oppstå i en betydelig avstand fra inngangen, selv om de ikke er direkte synlige i enkelte seksjoner. Dette trykkfallet kan karakteriseres av to hovedfaser: et lineært trykkfall på grunn av friksjon, og et ikke-lineært trykkfall som oppstår som følge av strømningens interaksjon med et enhetlig hastighetsprofil ved kanalens utløp.

I tilfelle av en formet hette er det en merkbar reduksjon i lengden på seksjonen der deformasjonen av innløpsstrømningen er betydelig, men effekten av dette er fortsatt til stede. For å beregne det totale trykkfallet og få en forståelse av hvordan strømningsmønsteret påvirkes av geometriske endringer i systemet, brukes såkalte LDC (Luftdrag Koefisienter), som kan estimeres numerisk. Eksempler på dette er beregningene av LDC-verdiene for en rett kanal uten en hette (ζ = 0,961) og en kanal med en formet hette (ζ = 0,0123), som er i samsvar med tidligere forskning med en liten avvik på 23 %.

Den eksperimentelle metoden for å bestemme drag-koeffisienten for en glatt luftstrøm i et utløpsrør innebærer bruk av en miniprober. Dette er et spesielt instrument som brukes til å måle trykket og hastigheten i grenselaget ved kanalens inngang. Miniproben, som har svært liten diameter, kan plassere målepunktene svært nær kanalens vegg for å registrere trykkforskjeller mellom de statiske og dynamiske trykkene. Målingene som ble gjort i en kanals grensesjikt ble tatt ved hjelp av en mikroskopisk nål med en ytre diameter på 0,8 mm.

Når miniproben brukes, kan den samle data om trykkfordelingen langs grenselaget og gi verdifull informasjon om strømningsforholdene som ikke er synlige ved overfladiske målinger. Disse målingene gir en grundig forståelse av trykkfall og drag-koeffisienter som kan brukes for videre beregninger av strømningskarakteristikker. For å oppnå pålitelige målinger kreves det en høy presisjon i utførelsen, ettersom trykkforskjellene i grenselaget kan være små, men likevel har stor betydning for hele strømningssystemet.

Videre er det viktig å merke seg at de eksperimentelle resultatene som oppnås gjennom miniprober må behandles med nøyaktighet. Lesningene av trykk (total-, dynamisk og statisk trykk) ble tatt av en observatør som benyttet identiske instrumenter under de samme forholdene for å sikre nøyaktighet. For å behandle dataene på en korrekt måte, ble den aritmetiske middelverdien beregnet, sammen med den kvadratiske middelavviket (RMS), som gir et mål på variasjonen i målingene. Gjennom statistiske metoder og feilanalyse ble det kontrollert om målingene fulgte normalfordelingen, noe som er viktig for å sikre at resultatene er pålitelige.

Ved å analysere trykkfordelingen og strømningsmønsteret i en kanal med en formet hette, kan man ikke bare forstå hvordan strømningsforholdene endres, men også få innsikt i hvordan ulike faktorer som kanalens geometri, strømningshastigheter og temperaturer påvirker systemets effektivitet. Å forstå disse forholdene kan være avgjørende for å optimalisere designet av luftkanaler og ventilasjonssystemer for forskjellige applikasjoner.

En annen viktig faktor som bør vurderes i slike beregninger er effekten av turbulens. Selv om turbulens vanligvis er uønsket i mange strømningssystemer, kan det også ha en positiv effekt på blanding og varmeoverføring i visse kontekster. For en grundig forståelse av strømningsforholdene er det viktig å vurdere hvordan turbulens påvirker både trykkfallet og den totale ytelsen i systemet. Det er også nødvendig å ta hensyn til at et system med flere kanaler eller et komplekst geometrisk design kan føre til mer uforutsigbare strømningseffekter som må vurderes i modelleringen.

Hvordan analysere luftstrømmer mot utblåsingsåpninger i ventilasjonssystemer: Metoder og tilnærminger

Moderne metoder for å analysere luftstrømmer mot utblåsingsåpninger tar ikke hensyn til den faktiske størrelsen og formen på åpningene, noe som fører til feil som øker når man nærmer seg åpningen. For å beregne strømninger mot virkelige åpninger benytter man ulike analytiske metoder som baserer seg på analyse av totalt påvirkning fra infinitesimale punkter, lineære synker, eller synker i form av uendelig tynne buer. Et slikt rammeverk ble utviklet av Shepelev (1978), som rapporterte beregninger av strømmer mot lineære, sirkulære, runde og rektangulære åpninger ved hjelp av superposisjonsmetoden for strømmer. Denne metoden tar utgangspunkt i at strømningens hastighet ved et gitt punkt bestemmes av summen av hastighetsvektorene som induseres på dette punktet av et bestemt system av punktsynker, som danner den nødvendige geometrien til den virkelige utblåsingsåpningen.

For andre geometrier, som uendelig lange synker med bredde 2B eller rektangulære synker, er andre uttrykk gitt. Disse beregningene tar i hovedsak for seg hastighetsfeltet langs midtlinjen uten å ta hensyn til eventuelle strømseparasjonseffekter ved inngangen til åpningene.

For eksempel viser arbeidet til Lifshic (1977) at aksial hastighet for en rund utblåsingsåpning kan modelleres effektivt med BIE-metoden, og at resultatene samsvarer svært godt med eksperimentelle data. Videre er det dokumentert at hastighetsfeltet kan simuleres for ulike åpninger, som for ellipseformede og rektangulære åpninger, og at aksial hastighet kan estimeres ved hjelp av numeriske metoder og BIE for forskjellige typer åpninger i uendelige vegger. Resultatene samsvarer godt med tidligere eksperimenter, som Dalla Valle (1944).

En annen metodikk som brukes i feltet er den konforme kartleggingen, som gjør det mulig å finne hastighetsfeltet for komplekse områder ved å kartlegge dem til enklere områder hvor løsningen på Laplace-ligningen kan finnes. Denne tilnærmingen gir mulighet for å simulere strømninger til forskjellige typer åpninger, for eksempel spalteåpninger, og gir et grunnlag for videre studier av hastighetsfordelinger i slike konfigurasjoner.

Viktige detaljer for leseren: En viktig ting å merke seg er at de fleste av disse metodene primært fokuserer på å beregne hastighetsfeltet i nærheten av åpningen, men ikke nødvendigvis tar hensyn til strømseparasjonene som kan oppstå rett ved åpningen. Disse separasjonene kan ha stor betydning i praktiske anvendelser, spesielt når det gjelder ventilasjonssystemer og strømningsdynamikk i store anlegg. Videre er det nødvendig å huske på at de fleste teorier og metoder er forenklinger av virkeligheten, og de kan kreve justeringer basert på spesifikke eksperimentelle forhold.