Hur man förbättrar beräkningar av luftflöden vid inlopp till utsugsfläktar

Den diskreta virvelmetoden (DVM) är en numerisk metod för att lösa singulära integralekvationer och har en solid matematisk grund (Lifanov, 1995). Denna metod har tillämpats på både stationära (Logachev et al., 2004; Logachev, 2018) och icke-stationära flödesproblem (Logachev et al., 2004) för att beräkna flödesseparation vid inlopp till utsugsfläktar. Vid problem med icke-stationära flöden har flödesseparation från två skarpa kanter vid fläktinloppet undersökts. Denna metod används för att modellera och analysera luftflöden i ventilationssystem, vilket är av stor betydelse för optimering av luftflödesdynamik och effektivitet i industriella och kommersiella byggnader.

Vid användning av DVM beaktas de komplexa interaktionerna mellan luftströmmar som möts vid inloppet till utsugsfläktar, där flödet ofta separeras och bildar virvlar. Dessa virvlar kan skapa turbulens som påverkar effektiviteten hos ventilationssystemet. Att korrekt modellera denna separation är avgörande för att förstå flödesdynamiken vid inloppet, vilket gör det möjligt att optimera konstruktionen av utsugssystem för att minska energiförluster och förbättra luftkvaliteten inomhus.

En annan viktig aspekt av ventilationssystemens aerodynamik är hur flödet vid sammansatta inlopp, såsom T-förgreningar, hanteras. Tidigare studier har fokuserat på att förstå de förluster som uppstår vid sådana sammankopplingar, särskilt i fall där två luftströmmar möts och delas upp. Också här spelar turbulens en central roll, och korrekt beräkning av flödesförluster vid dessa punkter är avgörande för att säkerställa en effektiv drift av hela ventilationssystemet.

För att ytterligare förbättra flödesberäkningarna och systemdesignen har forskare utvecklat och tillämpat olika optimeringstekniker, inklusive topologisk optimering, som används för att förbättra komponenternas aerodynamiska egenskaper. Till exempel har man i bilindustrin tillämpat optimering för att minska luftmotstånd och förbättra komponenternas aerodynamik, vilket kan överföras till ventilationssystem där minskade tryckförluster och förbättrad luftflöde kan leda till mer energieffektiva system.

För att säkerställa en korrekt tillämpning av dessa metoder är det också viktigt att förstå hur olika typer av turbulens påverkar flödet vid specifika gränser, såsom vid 90°-böjar eller vid övergångar mellan rörsektioner. Här är de flödeskoefficienter som används vid beräkningar, särskilt de som beskriver minorförluster, avgörande för att förutsäga det verkliga flödet och identifiera områden med höga energiförluster.

Vidare forskning om strömningsdynamik i ventilationssystem bör fokusera på att finjustera dessa beräkningsmetoder för att bättre förstå och hantera komplexa turbulensmönster och flödesseparationer vid olika punkter i systemet. Det innebär att forskning på aerodynamiska egenskaper för utsugsfläktar och deras påverkan på systemets effektivitet är ett område med stort potential för framtida utveckling.

Hur påverkar sidöppningar luftflödet i avgasrör? En studie av tryckförluster och flödesdynamik

Tryckförluster orsakade av friktion efter en kanalanslutning bestäms på liknande sätt som för huvudflödet, men med hänsyn till den totala flödeshastigheten som uppstår efter att flödet från öppningen förenas med huvudflödet. Avståndet från öppningen till mätpunkt nummer två är här 2,992 meter. Genom att använda en verifierad och validerad numerisk modell löstes problemen för hela intervallet av förhållandet mellan luftflödet genom öppningen (där dimensionen h/b = 0,32) och det totala flödet i kanalen vid sammanflödet.

Mätningarna och simuleringarna visade på intressanta resultat i förhållandet mellan tryckförlust och flödesförhållande. Data som samlades från numeriska simuleringar jämfördes med experimentella resultat från andra studier, såsom Barkalov et al. (1992), Idel’chik (1992), samt Saito och Ikohagi (1994). Detta jämförelsearbete visade att resultaten från denna studie var ganska konsekventa med tidigare experimentella data, där den största skillnaden uppgick till 12% vid flödesförhållanden nära maximalt flöde genom öppningen (G/G = 0,92). De numeriska resultaten överensstämde också väl med andra referensdata, även om vissa små avvikelser på cirka 23% noterades vid vissa flödesförhållanden.

För att ytterligare förbättra förståelsen av dragkoefficienten (LDC) för olika sidöppningar användes en andra gradens polynomapproximationsmodell, vilket gör det möjligt att beräkna ζT som en funktion av flödesförhållandet G/G. Detta innebar att en noggrannare bestämning av dragvärden för en rad olika öppningsdimensioner kunde göras, även för dimensioner som inte tidigare varit tillgängliga genom direkt experimentell datainsamling.

För öppningar med dimensionerna h/b = 0.6, 1.0, 1.5 och 2.0 utvecklades regressionsfunktioner för att beräkna dragkoefficienten. De här funktionerna gav en bra överensstämmelse med experimentella resultat och numeriska simuleringar, vilket visar på deras tillförlitlighet. Dessa funktioner har också implementerats i en onlineberäknare för att underlätta beräkningen av LDC i praktiska tillämpningar. För de som behöver exaktare värden rekommenderas det att använda denna beräknare.

Det är också viktigt att notera att studien bekräftade att även om det finns ett övergripande liknande mönster i hur dragkoefficienten varierar med flödesförhållandet i både T-rör och sidöppningar, så finns det skillnader i LDC-värden beroende på de specifika flödesdynamiska förhållandena. Dessa skillnader kan ha betydande konsekvenser när man optimerar kanalsystem för effektivitet och tryckförluster. Genom att använda experimentella data och numeriska beräkningar kan tekniska förbättringar göras för att minska dragkraften och öka effektiviteten hos ventilationssystem som använder sidöppningar.

En annan viktig aspekt är att visuell verifiering av flödet genom sidöppningarna visade på intressanta dynamiska mönster av flödesseparation och turbulens. Specifikt, när en nichromspiral monterades på den yttre väggen av öppningen för att observera flödet, blev det tydligt hur separationszonen utvecklades. Denna typ av flödesvisualisering är avgörande för att bättre förstå hur flödet interagerar med kanalväggarna och öppningarna, vilket är centralt för att kunna förutsäga och förbättra systemets prestanda.

För att effektivt kunna tillämpa dessa insikter vid design och optimering av ventilationssystem bör man vara medveten om att både experimentell och numerisk simulering är nödvändiga för att få en fullständig bild av systemets dynamik. Det innebär att endast en teoretisk modell inte alltid räcker för att korrekt uppskatta dragkoefficienter och flödesförhållanden, utan experimentella verifieringar och praktiska tester är av yttersta vikt. Denna holistiska metod ger ingenjörerna möjlighet att exakt kalibrera sina modeller och förbättra systemets prestanda i verkliga tillämpningar.

Hur strömningszoner och tryckförlust påverkar ventilationssystem med rund avgasfläkt

I den här studien undersöks dynamiken hos flödeszoner och tryckförlust i rundade avgasfläktar, med fokus på effekten av turbulensmodeller och beräkningsnät på resultaten. Tryckförlust och flödeseffekter i sådana system är avgörande för att förstå hur fläktar och ventileringssystem fungerar under olika driftförhållanden. Trycket, definierat som dynamiskt tryck i kanalen, beror på hastigheten och densiteten av luften som passerar genom den. Beräknade tryckförluster (ΔP = R · l) och deras relation till geometri och turbulensmodeller spelar en central roll i att optimera fläktdesign och prestanda.

Resultaten visar att användningen av RSM-modellen i kombination med metoden för väggmodellering EWT ger de mest tillförlitliga simuleringarna när det gäller att förutsäga flödets drag och separation vid hoodens kant. Denna metod har visat sig vara relativt korrekt jämfört med experimentella data, särskilt i områden där flödet separerar från kantens skarpa led. Flödeszonens (VZ) kontur, som definierar gränsen för separationen, överensstämmer bra med experimentella data när man använder en finare beräkningsnätning, vilket visar på den numeriska simuleringens noggrannhet.

Vid experimenten användes ett testuppställning med en rund fläkt som ansluter till ett mätinstrument för att analysera flödet vid olika vinklar på fläktens fläns (α = 0°, 30°, 60°, 90°). Genom att noggrant mäta luftflödet i olika sektioner av rören kunde experimentella data jämföras med numeriskt beräknade värden. Dessa experiment bekräftade att flödesseparationen i större grad stämmer överens med beräkningarna från diskret virvelmetod (DVM) än med de numeriska lösningarna från CFD-programmet Fluent, där den separationszonen visade sig vara något mindre än i de faktiska experimenten.

De jämförda resultaten visade på en hög korrelation mellan experimentella och beräknade värden, där Pearson’s korrelationskoefficient låg på 0,91 i de flesta fall. Detta understryker tillförlitligheten i den numeriska metoden, som, trots vissa skillnader i flödeszonens exakta form, är användbar för att förutsäga flödets beteende i ventilationssystem. Statiska tester som Student’s t-test och Fisher’s test visade också att de beräknade genomsnittsvärdena stämmer överens med experimenten i majoriteten av fallen, vilket ytterligare bekräftar den numeriska modellens tillförlitlighet.

För att förstå flödesdynamiken bättre bör läsaren beakta att medan den experimentella metoden ger mer fysiskt precisa resultat för separationszoner, ger numeriska metoder som CFD- och DVM-baserade simuleringar värdefull insikt i hur flödet kan variera beroende på systemets geometri och de modeller som används. Justeringen av beräkningsnätet (y+ värden) är också en kritisk faktor i att uppnå resultat som är oberoende av nätets upplösning. Det är också viktigt att notera att modellen som används för att simulera turbulens, särskilt RSM tillsammans med EWT-metoden, är fördelaktig när det gäller att hantera komplexa flödesmönster och ge mer exakta resultat än enklare modeller.

Hur kan man förbättra flödesdynamiken i ventilationsteknik genom att optimera flödeskomponenter?

Det finns en mängd forskningsarbeten som undersöker flödesdynamik och turbulens i ventilationssystem, särskilt de specifika flödeskomponenter som är vanliga i dessa system, såsom T-förgreningar och sammanflöden. Ett av de största intressena inom detta område är att förstå och optimera hur luftflödet påverkas av olika geometriska och dynamiska faktorer för att minska energiförluster och förbättra effektiviteten i systemet.

Ett exempel på detta är användningen av laser Doppler velocimetri (LDV) och partikelbildvelocimetri (PIV) för att noggrant studera blandningen mellan två luftströmmar med olika temperaturer. Hirota et al. (2010) använde dessa metoder för att analysera blandningsgränsen mellan ett varmare flöde som kommer från en sidogren och ett kallare huvudflöde i en T-förgrening. Genom att undersöka flödesegenskaper som medelhastighetsprofiler och hastighetspulser, har forskare fått insikt i hur strömningens struktur och turbulens kan påverka drag och energieffektivitet.

Det finns också studier som behandlar specifika geometriändringar i T-förgreningar för att minska drag. Ett exempel är forskningen som utfördes av Gao et al. (2018d), där väggarna på T-förgreningen utformades för att efterlikna en flodbädds kontur för att minska drag. Denna typ av väggformning har visat sig kunna minska drag med mellan 20,5% och 250% beroende på flödesförhållandena. Det är viktigt att förstå att även om denna teknik gav goda resultat under vissa förhållanden, så är den inte universellt applicerbar. Mer specifika optimeringsstudier är också genomförda, där förgreningar och väggformning samordnades för att uppnå ytterligare dragreduktion.

En annan lovande metod för att minska drag är att använda inlägg i flödeskanaler. Enligt Li et al. (2014, 2015), genom att använda specifikt formade inlägg som härstammar från bilindustrin och flygplansdesign, har det visats att drag kan minskas avsevärt. Dessa inlägg, som installerades efter ett böjt rör och en T-förgrening, ledde till en minskning av draget från 22% upp till 31%, beroende på flödesförhållandena. Det är dock viktigt att förstå att det inte finns ett universellt inlägg som fungerar för alla typer av flöden och att varje design måste beakta flödets rörelse för att förhindra vortexbildning.

Vad som blir uppenbart genom dessa olika studier är att det finns många faktorer att beakta när man optimerar flödesdynamik och dragreduktion i ventilationstekniska system. Det handlar inte bara om att välja rätt geometri eller form, utan även om att förstå de komplexa interaktionerna mellan flödeshastighet, tryck, temperatur och flödesriktning. Det är också viktigt att ha i åtanke att varje förändring kan ha olika effekter beroende på flödesförhållanden, vilket gör att universella lösningar är svåra att hitta. Fortsatt forskning är nödvändig för att utveckla mer exakta och allmängiltiga optimeringsmetoder.

När man överväger dessa tekniska förbättringar är det också avgörande att förstå den övergripande inverkan de har på hela ventilationssystemets effektivitet. Att optimera enskilda komponenter såsom T-förgreningar och sidoflöden kan minska drag, men det är de sammansatta effekterna av dessa optimeringar som i slutändan kommer att avgöra den långsiktiga energibesparingen och effektiviteten i ventilationssystemet.