Hur kan olika öppningstyper påverka vortexzoner och flödesdynamik?

Vortexzonens (VZ) bildning och dimensioner har betydande inverkan på luftflödets effektivitet i ventilationssystem, särskilt vid sidan av öppningar i ventilationskanaler. Den experimentella och numeriska analysen av dessa zoner, såsom illustreras i Figur 3.9, visar en tydlig korrelation mellan flödesförhållanden och vortexzonens geometri. Vid jämförelse av olika flödesförhållanden, med hjälp av både experimentella visualiseringar och numeriska data, observerades en god överensstämmelse för flöden som närmade sig normalinriktade öppningar. Emellertid, när flödet avviker i vinkel från öppningen, blir vortexzonen mer turbulent och svår att visualisera längs hela sin längd.

Vid förändring av öppningens dimensioner, till exempel för olika förhållanden av höjd/bredd (h/b), identifierades ett betydande mönster. För större h/b-värden, såsom för h/b = 2.0, kan vortexzonen ses som geometriskt liknande, oberoende av externa flöden eller hinder från kanalväggarna. Detta förhållande kan användas för att optimera ventilationssystem, då det ger en bättre förståelse för hur flödet kan manipuleras för att minska energi- och dragförluster.

För att beräkna vortexzonens exakta form, som beskrivet i Figur 3.10, har ett skalningsfaktor k utvecklats för att skapa en standardiserad mall, vilket gör det möjligt att beräkna VZ-konturer för en mängd olika flödesförhållanden. Denna faktor k har visat sig vara en funktion av flödesförhållandet, där den exponentiella beroendefunktionen ger en noggrann approximation av vortexzonens konturer, med en felmarginal på endast 15%. Funktionerna som definierar k för olika h/b-värden, som exempelvis för h/b = 0.32 och h/b = 1.5, kan ge vägledning för att skapa optimal geometri vid konstruktion av öppningar i ventilationssystem.

I vidare studier, som undersöker utformningen av olika öppningar vid specifika flödesförhållanden, som illustreras i Figur 3.13, har olika utformningar av vortexzoner testats för att optimera luftflödet. Dessa tester har visat att vissa former, som "shape 0.504," ger den mest balanserade prestandan över ett brett spektrum av flödesförhållanden. Genom att anpassa öppningens form kan energiförbrukningen och dragförluster minskas samtidigt som flödet effektiviseras.

Strömlinjeformer för olika geometrier, som i Figur 3.14, avslöjar hur förändringar i form påverkar flödets dynamik. Vid ett lägre flödesförhållande uppträder mindre vortexzoner som är relativt lätta att styra, medan större öppningar tenderar att orsaka sekundära vortexzoner (SVZ) som kan blockera flödet. Detta fenomen ses särskilt vid höga flödesförhållanden, där det är tydligt att en mindre profil ("shape 0.258") resulterar i en större SVZ, vilket kan försämra flödeseffektiviteten.

Hur påverkar utformningen av en avgasskåp flödesdynamiken och effektiviteten?

Vid simulering av flöden i avgasskåpar har tekniker som Computational Fluid Dynamics (CFD) och Direct Vortex Method (DVM) visat sig vara oumbärliga för att förstå hur olika utformningar påverkar flödet och de resulterande turbulensnivåerna. En avgasskåp designad med flänshöjd och vinklar på specifika sätt påverkar det lokala flödet på avgassystemets väggar. I detta sammanhang har det visats att genom att justera skåpens form, i synnerhet vid de zoner där virvelbildning uppstår, kan man drastiskt minska turbulensen och effektivisera avgassystemets prestanda.

För att illustrera effekten av denna justering har man genomfört tester där utformningen av skåpen förändras enligt de geometriska linjerna som bestäms av CFD och DVM. Under dessa tester genomfördes meshrefinering för att noggrant definiera de gränssnitt där virvlar (VZ) kan utvecklas. Meshrefinering är en kritisk del av denna process, eftersom det säkerställer att dessa virvelområden kan detekteras korrekt och att flödeslösningen konvergerar vid den finaste cellstorleken.

Vid förfining av nätverket till den finaste upplösningen, med cellstorlekar ned till 0,6 μm, observerades en stabilisering av de numeriska lösningarna. Detta indikerade att lösningen inte längre var beroende av cellstorlek, vilket innebär att meshkonvergens hade uppnåtts och att resultaten var tillförlitliga. LDC (Local Drag Coefficient) — en indikator på turbulens och flödesmotstånd — mättes för att utvärdera effekten av olika designval. LDC-värdena visade en signifikant minskning beroende på hur hooden utformades och hur det strömningsområde där virvlar bildas hanterades.

När utformningen av hooden justerades längs den första VZ, vilket var det ursprungliga virvelområdet, minskade LDC med upp till 16%. Men betydligt större effekter uppnåddes när utformningen anpassades efter den andra VZ, vilket resulterade i en minskning av LDC med upp till 53%. En ytterligare optimering, där båda virvelområdena formades, reducerade LDC till 0,237, vilket motsvarar en minskning med mer än hälften.

Det visade sig också att en "fraktur" i hoodens design kunde ytterligare förbättra flödeseffektiviteten genom att eliminera de flödesbegränsningar som orsakades av VZ. Denna design, kallad en "fractured exhaust hood", minskade LDC ytterligare med upp till 93%, vilket ger en betydande förbättring av systemets övergripande prestanda. Trots att LDC för den frakturerade designen var högre än för andra optimerade modeller, hade denna design fördelen av en större hastighet på den relativa strömningen nära avgassystemet, vilket förbättrade fångstförmågan för föroreningar.

En noggrann jämförelse mellan CFD och DVM avslöjade att DVM-baserade linjer för virvelområden ger en smidigare övergång mot väggen, vilket förhindrar att sekundära virvelområden utvecklas, som annars kan leda till turbulens och ineffektivitet. I de fall där DVM användes för att definiera utformningen av båda virvelområdena, minskade LDC med så mycket som 98%, vilket visar på metodens potential för att skapa de mest effektiva designlösningarna.

Trots fördelarna med DVM-baserad formgivning är det inte alltid praktiskt att tillämpa denna metod i alla designkontexter. En fördel med CFD-metoden är dess flexibilitet och anpassningsbarhet till olika konfigurationer av flänsar och ventiler. Men i de fall där detaljer om virvelområdena är svåra att bestämma, kan DVM-baserad design vara överlägsen när det gäller att förhindra oönskade virvelbildningar och därmed optimera flödesdynamiken.