Hur man beräknar och visualiserar virvelzoner i avgasflöden

Beräkningsmetoden för att simulera och visualisera virvelzoner (VZ) i avgasflöden är komplex och omfattar flera steg. För att förstå hur dessa zoner påverkar flödet vid inloppet till en rektangulär avgaskanal, måste man först skapa en detaljerad beräkningsmatris och sedan använda den för att lösa de algebraiska ekvationerna som beskriver flödet.

Efter att ha skapat dessa matriser, påbörjas den iterativa processen för att bestämma den fria virvelströmsytan, det vill säga den yta som genereras från den skarpa kanten på flänsen. I denna process definieras de initiala värdena för antalet hörnpunkter i de fria virvelpolylinjerna som $\gamma_{\text{new}} = 0$ och $\gamma_{\text{old}} = 0$, samt för cirkulationen av de fria krökta ramverken. Den iterativa metoden fortskrider genom flera nivåer av yttre och inre loopar, där man successivt beräknar cirkulationen för de fria virvlarna och uppdaterar dessa värden tills precisionen $\gamma_{\text{new}} - \gamma_{\text{old}}$ är tillräckligt låg, vanligtvis under $\varepsilon = 10^{ -5}$.

Denna process leder till lösningen av ett system av simultana linjära algebraiska ekvationer, som används för att beräkna de okända intensiteterna av virvelementen från randvillkoren för den normala hastighetskomponenten. Efter att ha löst dessa ekvationer erhålls de nya värdena för cirkulationen av de fria virvelpolylinjerna och ramarna. Genom att iterera denna process förfinas beräkningarna av virvelströmmens yta och flödesfältet.

För att ytterligare förstå hur dessa virvelzoner påverkar flödet används experimentella metoder för att visualisera gränserna för virvelzonerna vid inloppet till den kvadratiska avgaskanalen. En experimentell anordning gör det möjligt att observera och mäta dessa zoner i ett brett intervall av Reynolds-tal (från 6 · 10³ till 9 · 10⁴), vilket täcker både början på den turbulenta regeln och det utvecklade turbulenta flödet. Här används en ultraljudsfuktare för att generera ånga som visualiserar flödet vid separationen från den skarpa kanten på kanalen. Dessa experimentella observationer bekräftar teoretiska beräkningar och bidrar till en mer komplett förståelse av virvelzonernas form och påverkan på flödet.

Den datorbaserade programvara som utvecklats för att beräkna luftflödets hastighet och gränserna för strömskillnadens yta vid ingången till den rektangulära avgaskanalen ger en värdefull metod för att både visualisera och kvantifiera flödesdynamiken. Programmet gör det möjligt att sätta upp randvillkor för den normala hastighetskomponenten, skapa strömlinjer och bestämma hastigheten i flödesområdet. Det ger också möjlighet att konstruera fria strömsystem och bestämma deras karakteristiska dimensioner.

Det är viktigt att förstå att även om dessa beräkningar och experimentella observationer ger en detaljerad bild av virvelzonernas natur, är det en dynamisk process som kräver kontinuerlig förbättring och uppdatering av både matematiska modeller och experimentella metoder. Den noggranna simuleringen av flödet genom avancerade iterativa metoder gör det möjligt att optimera konstruktioner av avgaskanaler och ventilationssystem där virvelzonernas påverkan är betydande.

Hur påverkar luftflödet öppningar i ventilationssystem?

En rad studier har visat hur DVM (Digital Volume Method) och konforma avbildningar har tillämpats framgångsrikt på problem som rör luftflöden mot utsläppsöppningar med mer komplexa geometriska former, som till exempel ett utsläppshuvud bestående av en kvadratisk anslutning fritt placerad i rymden (Averkova et al., 2013c), eller utsläppshuvuden försedda med ogenomträngliga skärmar (Logachev et al., 2010a, 2010b; Averkova et al., 2013a, 2013b), eller utsläppshuvuden installerade inuti ett kåpa (Averkova et al., 2007, 2010).

Vid undersökning av sidouppgångar i ventilationssystem liknar luftflödet det som ses vid konfluens-tees, där huvudkanalens flöde blandas med flödet från den sidogående öppningen, vilket orsakar chockförluster. En viktig skillnad är att flödet vid en tee kommer från en lateral kanal, medan flödet vid en sidouppgång kommer från ett obegränsat utrymme och gör en 180° sväng. I Ryssland används ofta Designer's Handbook (Barkalov et al., 1992) för aerodynamiska beräkningar av ventilationssystem, som huvudsakligen består av anpassade data från Idel’chik (1992). För specifika fall som sidouppgångar är det dock inte helt klart varifrån dragvärdena hämtas, och dessa uppgifter återfinns inte i Idel’chik (1992).

I studier av Maeda et al. (1960) visades också en god överensstämmelse mellan LDC-värden för flöden genom tees och för sidouppgångar. Det är värt att notera att för LDC i tees, enligt Idel’chik (1992), är detta värde oberoende av dimensionerna på sidogrenen, vilket strider mot Maeda et al. (1960).

För att förstå dynamiken i dessa flöden är det viktigt att förstå hur storleken på öppningen påverkar strömningens beteende. Små öppningar nära dödänden kan orsaka stora förluster i flödet, medan större öppningar kan ge upphov till olika typer av flödesmönster som påverkar ventilationens effektivitet. För att optimera designen av ventilationssystem är det avgörande att noggrant välja rätt öppningsstorlek och placering i relation till kanalens utformning för att minimera dessa förluster och maximera effektiviteten i systemet.