Hur flänsens utformning påverkar flödesdynamik och energiförlust i komplexa avgassystem

Den numeriska simuleringen av luftflöde genom avancerade avgassystem kräver en noggrann förståelse av hur olika gränsvillkor (BCs) och nätverksupplösning påverkar resultatet, särskilt när det gäller att modellera turbulenta flöden och energiförluster. För att undersöka dessa effekter har flertalet metoder använts, inklusive det standardiserade k-ε (SKE)-modellen, SST k-ω (SSTKW)-modellen och Reynolds Stress-modellen (RSM). En viktig aspekt av denna simulering är testningen av väggfunktioner för att korrekt återge motståndet i kanalsystemet och säkerställa korrekt simulering av väggnära flöden.

Genom att använda en förfinad nätverksuppbyggnad och noggrant definiera cellstorlekar för olika zoner i det simulera området, uppnåddes en noggrann representation av flödesdynamiken. Genom att jämföra olika modeller visade det sig att de bästa resultaten, när det gäller att förutsäga strömningskonturer och LDC (Lock-in Distance Coefficient), erhölls med kombinationen av RSM och Enhanced Wall Treatments (EWT). Dessa resultat visade nära överensstämmelse med experimentella data och tidigare modeller, vilket bekräftade att dessa metoder är tillförlitliga för simuleringar av komplexa avgassystem.

Vid utförandet av experiment för att bestämma LDC mättes både total- och statiska tryck på olika avstånd från avgassystemets insug. Detta gör det möjligt att beräkna det dynamiska trycket och därigenom få en exakt uppfattning om den energi som förloras vid inloppet av avgassystemet och vid friktion mot kanalväggarna. Här var det avgörande att använda både teoretiska och praktiska metoder för att validera de numeriska resultaten och säkerställa att alla variabler beaktades korrekt.

Vid vidare simulering, där flänsens påverkan på flödet studerades, visades det att avståndet mellan den impermeaabla planet och avgassystemets inlopp var av stor betydelse. När detta avstånd ökade minskade storleken på vortexzonen (VZ) och flödesdynamiken närmade sig det för en obegränsad rymd. Detta beteende var särskilt märkbart i system med flänsar där den vertikala hastighetskomponenten ökade runt den cirkulära avgassystemets öppning, vilket resulterade i en ökning av VZ:s utbredning och en minskning av δ. Detta visade att flänsens design och placering direkt påverkar strömningsmönstren och kan användas för att optimera systemets effektivitet.

Jämförelser mellan de numeriska simuleringarna och experimentella data visade att de bästa resultaten för LDC, som en funktion av avståndet från planet, erhölls vid specifika designparametrar. För en design utan fläns (där vinkeln α = 0°) visade det sig att flödesmönstren vid avståndet s = 2,0, som var större än avståndet s = 1,0, visade minimal skillnad, vilket implicerar att effekterna av impermeaabla plan avtar med avståndet.

I den experimentella setupen, som var baserad på tidigare arbeten (Logachev et al., 2021), mättes trycken vid två avstånd från avgassystemets inlopp och LDC beräknades för att analysera förlusterna i systemet. LDC, som utgör en viktig parameter för att bedöma systemets effektivitet, visade att förhållandet mellan totaltryck och dynamiskt tryck ger en bra uppskattning av energiförlusterna vid olika flödesbetingelser.

Vid beräkningarna av LDC baserades de numeriska resultaten på detaljerade modeller som tar hänsyn till flänsens påverkan och den specifika nätverksuppbyggnaden, vilket säkerställde hög noggrannhet vid simuleringen av flödesdynamik och energiförluster.

För att förstå dessa modeller och simuleringars tillämpningar är det viktigt att beakta den komplexitet som finns i de fysiska processer som påverkar flödet genom avgassystemen. Till exempel är det avgörande att simuleringarna återspeglar de faktiska strömningsbetingelserna och att gränsvillkoren för olika modeller är korrekt specificerade för att undvika felaktiga förutsägelser av flödesmönster och energiöverföring. Även om de numeriska metoderna kan ge exakta resultat i många fall, är det viktigt att experimentella data används för validering och för att justera modellerna för att bättre representera verkliga förhållanden.

Hur används LDC för att verifiera numeriska lösningar inom turbulenta flöden?

När man arbetar med numeriska lösningar för att beskriva turbulenta flöden, är det avgörande att kunna validera resultatet för att säkerställa att valda inställningar och modeller är de mest korrekta. En sådan metod är användningen av LDC (Local Drag Coefficient), vilket möjliggör en detaljerad förståelse av hur flödet interagerar med sina gränser och geometri, särskilt i komplexa situationer som plötsliga expansioner i ventilationssystem. I detta sammanhang är det viktigt att använda turbulensmodeller som kan stänga det primära systemet av fluidrörelse.

I en 2D-simulering av turbulenta flöden användes olika turbulensmodeller för att slutföra lösningen av rörelsen. Bland dessa modeller fanns den standardiserade k–ε-modellen (SKE), den standardiserade k–ω-modellen (SKW) samt den k–ω SST-modellen (SSTKW), tillsammans med Reynolds stressmodell (RSM). För att korrekt återge flödet nära väggarna, användes även två metoder för närväggssimulering: standardväggfunktioner (SWF) och förbättrade väggbehandlingar (EWT).

Verifikation av dessa modeller gjordes genom att undersöka både tryckfall vid den plötsliga expansionspunkten och dimensionerna för virvelzonen (VZ). Tryckfallen i en plötslig expansion är särskilt viktiga eftersom de är kritiska för att förstå hur flödet kommer att bete sig under verkliga driftförhållanden. Under denna verifiering mättes trycket längs kanalen och områden där tryckförändringen var minimal identifierades som relevanta för flödesdynamiken.

En noggrannare metod för att undersöka dessa effekter innebar att man definierade hjälpsektioner i kanalen med intervall på 0,05 meter, där flödes- och medeltryck mättes. Ett testproblem som användes för att validera modellen var en kanal med en plötslig expansion där kanalens bredd förändrades från 0,1 m till 0,2 m. Detta valdes för att säkerställa att effekterna av gränsvärdena och perturbationerna vid expansionen inte skulle påverka LDC-värdena på ett otillbörligt sätt.

För att göra detta möjligt krävdes det att kanalen ovanför och nedanför den plötsliga expansionen hade tillräcklig längd, vilket gör att effekterna av gränsvärden inte skulle ha en för stor påverkan. Tryckförlusten på grund av friktion i kanalen mättes också, både ovanför och nedanför expansionspunkten, och det visade sig att friktionsförlusterna inte var lika linjära som i de plana delarna av kanalen. Detta beror på att flödesdeformationer i samband med expansionen är mycket komplexa och kan inte alltid förutses med enkla modeller.

En viktig aspekt att notera är att tryckförlusten på grund av flödesdeformation vid expansionen inte är koncentrerad till själva expansionsplanet, utan fördelas oregelbundet längs dess inverkan på kanalen. Detta innebär att om man inte beaktar dessa fördelningar kan de numeriska lösningarna för LDC bli förenklade och därmed mindre exakta, särskilt vid en detaljerad aerodynamisk design.

För att undvika ytterligare beräkningskomplexitet och för att säkerställa att resultaten är tillräckligt exakta, görs en förenkling där tryckförluster koncentreras till expansionsplanet. Denna förenkling ger en praktisk och tillräckligt noggrann beräkningsmodell för att kunna tillämpas i de flesta ventilationstekniska system utan att gå in på alltför detaljerad dynamik.

I samband med validering av dessa metoder, genomfördes även en "mesh-konvergensstudie" för att säkerställa att den numeriska gitteruppdelningen inte påverkade lösningens noggrannhet. Detta är ett avgörande steg för att eliminera eventuella fel i lösningen som kan uppstå från gitterstorleken eller upplösningen.

Det är också viktigt att förstå att alla simuleringar inte ger perfekta resultat direkt. Experimentell validering och justeringar i modellerna är nödvändiga för att få en exakt beskrivning av flödets verkliga beteende, särskilt när det gäller turbulenta flöden och komplexa geometrier.