Hur kan man minska tryckförluster i ventilationssystem genom att förstå plötsliga expansioner och virvelzoner?

Inom ventilationsteknik är en av de mest utmanande frågorna att hantera tryckförluster i luftkanalsnätverk. Tryckförluster kan delas upp i två huvudkategorier: funktionella och icke-funktionella. De funktionella förlusterna är relaterade till luftkanalens design och dess funktion, såsom böjar som styr luftflödet, eller trånga områden som fungerar som strypningar. Däremot är icke-funktionella förluster en konsekvens av aerodynamiska imperfektioner i elementen, där skarpa kanter kan ge upphov till virvelzoner (VZ) som orsakar energi- och tryckförluster.

För att förstå dessa förluster krävs en detaljerad undersökning av flödets dynamik efter expansionen. Till exempel, i studier där laser-Doppler-anemometri (LDV) användes, analyserades sambandet mellan Reynoldstal och längden på den virvelzon som bildas bakom en bakåtvänd steg. I Armaly et al. (1983) mättes detta för en Re = 7200, vilket resulterade i en virvelzon med en relativ längd på l/h = 7,6 (där h är höjden på steget). Genom att använda olika experimentella metoder har forskare fått fram exakta data om virvelzonens dimensioner och hur dessa påverkas av flödeshastigheter och kanalgeometri.

Numeriska simuleringar har också blivit en viktig metod för att förstå flödet vid plötsliga expansioner. Fomin och Fomina (2017) använde numerisk simulering för att bestämma egenskaper hos virvelbildning vid en bakåtvänd steg med ett Reynoldstal på 10 000, vilket gav en virvelzon med längden l/h ≈ 9,5. Dessa studier visar att det är möjligt att förutsäga virvelzonens dimensioner och koppla dessa till flödeshastigheter, geometri och Reynoldstal.

I samband med att dessa flödeskaraktäristiker undersöks är det också av stor vikt att identifiera sätt att minska tryckförluster orsakade av virvelzoner. Traditionellt har metoder som att forma kanternas utformning för att minska flödesseparation använts, men dessa kan vara svåra att implementera på grund av tillverkningsbegränsningar. Ett alternativ som har föreslagits är att använda en inläggsform som kan minska virvelzonens storlek utan att påverka kanalens dimensioner. Detta tillvägagångssätt gör det möjligt att minska energi- och tryckförluster i systemet utan att drastiskt öka kanalens storlek.

Det är dock viktigt att förstå att alla lösningar för att minska tryckförluster inte är universella. Metoder som att forma kanter och kanalsystem måste beaktas noggrant i förhållande till flödets dynamik och geometrins komplexitet. Det är också viktigt att ha i åtanke att vissa metoder, även om de minskar vissa typer av förluster, kan leda till ökad turbulens eller andra oförutsedda konsekvenser.

Den tekniska utvecklingen av flödesdynamik i ventilationssystem har lett till en mer sofistikerad förståelse av virvelzoner och tryckförluster, men det finns fortfarande många öppna frågor. Med avancerade numeriska metoder och mer noggranna experimentella tekniker kan forskare nu mer exakt bestämma relationen mellan geometriska förändringar, flödesdynamik och turbulens. Detta gör det möjligt att optimera utformningen av ventilationssystem för att minska energiåtgång och öka effektiviteten.

Endtext

Hur flödesseparation och virvelzoner påverkar ventilationseffektiviteten vid avgasfläktar

Att förstå flödesseparation och virvelzoner är avgörande när man studerar effektiviteten i ventilationssystem, särskilt i system med skarpa kanter såsom avgasfläktar. Dessa virvelzoner (VZ) bildas när luftflödet separeras vid skarpa kanter och påverkas starkt av flödesdynamikens variationer över tid. En av de största utmaningarna är att korrekt bestämma storleken på virvelzonerna, eftersom de fluktuerar över tid. För stationära problem kan storleken på VZ beräknas snabbare och mer exakt, men för att åstadkomma detta vid fluktuerande flöde krävs mer komplexa algoritmer och numeriska metoder.

För att lösa denna uppgift utvecklades en diskret matematisk modell som visualiserar och simulerar flödesseparation vid inloppet av en cirkulär avgasfläkt (figur 2.1). Här representerar de svarta cirklarna fästa virvelringar som ligger på en ogenomtränglig yta, medan de tomma cirklarna står för fria virvelringar som bildar gränsen för virvelzonen. Korsen i modellen markerar testpunkter där värden för den normala hastighetskomponenten definieras. Eftersom flödet är axelsymmetriskt används ett cylindriskt koordinatsystem där varje punkt beskrivs av avståndet från inloppet, x, och avståndet r till symmetri­axeln.

En viktig aspekt är att hastigheten vid testpunkterna vid avgasöppningen definieras som u, medan ett impermeabilitetsvillkor sätts vid övriga testpunkter (den normala hastighetskomponenten sätts till noll). Vid symmetri­axeln antas en virvelring med noll radie och tas inte med i simuleringen. Genom denna diskretisering skapas ett nät av testpunkter och virvelringar, vilket möjliggör en iteration för att spåra fria kanter vid de skarpa kanterna A och B som bildar gränserna för virvelzonerna.

Algoritmen utvecklades för att kunna hantera separationen av flödet vid dessa skarpa kanter och beräkna virvelringarnas cirkulationer iterativt. Formler som används för att beskriva denna process involverar summan av virvelringarnas cirkulationer och deras inverkan på testpunkterna. Till exempel, för testpunkterna vid kanterna A och B, definieras hur hastigheten påverkas av närliggande virvelringar, vilket leder till en lösning av de samtidiga algebraiska ekvationerna som styr flödet.

Vid analysen av ett slitsat avgasfläktsystem, där virvlar är jämnt placerade längs flödet, ändras algoritmen något. Vid dessa system bildas fria virvelringar vid specifika punkter där flödesseparation uppstår. Här introduceras också ett symmetri­villkor längs axeln 0x, vilket innebär att cirkulationen av virvelringar vid symmetriska punkter är lika stora men motsatt riktade. Detta säkerställer att summan av alla cirkulationer är noll, vilket är en förutsättning för ett cirkulationsfritt flöde.

I den iterativa processen upprepas beräkningarna tills skillnaden mellan gamla och nya cirkulationsvärden blir mindre än en förutbestämd noggrannhetsgräns, ε. På detta sätt fortsätter simuleringen tills en stabil lösning är uppnådd.

För att ytterligare förstå komplexiteten i dessa flödesförhållanden är det också viktigt att överväga hur den aktuella virvelzonens storlek och form påverkar det totala flödesmönstret i ventilationen. I praktiska tillämpningar innebär små förändringar i flödesdynamiken, såsom variationsändringar i virvelringarnas placering eller styrka, stora effekter på ventilationens effektivitet. Detta gäller särskilt för system där exakta flödesmönster är avgörande för att upprätthålla korrekt luftcirkulation och förhindra att ineffektiva virvelzoner uppstår.