تقوم أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) بأكثر من مجرد توفير الهواء البارد الناعم الذي يتدفق عندما ترتفع درجة الحرارة بالخارج. داخل هذه الأنظمة، يتحرك الهواء عبر المرشحات لضمان جودة الهواء العالية. عندما يكون الهواء النظيف على المحك، يمكن استخدام النمذجة والمحاكاة للحصول على فهم متعمق للفيزياء الكامنة وراء سلوك الهواء أثناء تحركه عبر المرشح…
نمذجة مرشح الهواء
تعتمد المرشحات الموجودة في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) على مادة (غالبًا ما تكون من الألياف الزجاجية أو طيات القطن) قادرة على إجهاد الهواء والتقاط الجزيئات مثل الغبار وحبوب اللقاح والبكتيريا. تؤثر هذه المواد على تدفق الهواء، وتلتقط الجسيمات غير المرغوب فيها بينما تسمح في الوقت نفسه بتدفق الهواء المفلتر من خلالها. تسمح نمذجة هذه الأجهزة والتدفق المضطرب الذي تحدثه بتحديد فعالية المواد المختلفة عند استخدامها للمرشحات، مما يساعد المصممين على تضييق خيارات المواد قبل الاستثمار في الإصدارات التجريبية الواقعية.
في منشور المدونة هذا، سنلقي نظرة على هندسة مرشح الهواء الشائعة (الموضحة أدناه) كمثال لدينا.
نموذج هندسي يوضح قسم المدخل وقسم المخرج الأطول مع وضع الفلتر بينهما. تكون هندسة المرشح أكثر كثافة من مجالات السوائل المفتوحة.
تبدأ عملية تصميم فلتر الهواء هذا بوحدة CFD، وهي منتج إضافي لشركة COMSOL Multiphysics® البرنامج، الذي يمكّن المستخدمين من إنشاء نماذج اضطراب Navier-Stokes (RANS) بمتوسط رينولدز في المجالات المفتوحة والمسامية. في هذا المثال، تم تصميم مرشح الهواء كمجال عالي المسامية حيث تشغل 90% من المادة بواسطة مسام أسطوانية يبلغ قطرها 0.1 مم. يتم تمثيل دعم مرشح الهواء بإطار ذو جدران مانعة للانزلاق. في هذا المثال، استخدمنا التدفق المضطرب، k-ω نظرًا لدقتها بالنسبة للنماذج ذات الجدران المتعددة، بما في ذلك الجدران المانعة للانزلاق. (يمكن العثور على نظرة متعمقة على إعداد النموذج في وثائق النموذج، والتي يمكن الوصول إليها عبر الزر الموجود في نهاية منشور المدونة هذا.)
تقييم النتائج
يسمح حل النموذج بتصور التغير في الاضطراب والسرعة والضغط أثناء تحرك الهواء باتجاه المرشح وعبره وتجاوزه. يبدأ الحساب بتحرك الهواء نحو الفلتر (اللون الأرجواني في الصورة أدناه). عندما يمر الهواء عبر المرشح، تزداد السرعة الخلالية (على الرغم من أن السرعة المتوسطة المسامية تظل ثابتة)، مما يؤدي إلى زيادة في الطاقة الحركية للاضطراب. بالإضافة إلى ذلك، هناك انخفاض مفاجئ في الضغط بسبب زيادة السرعة وزيادة الاحتكاك وفقدان الضغط، والتي تنبع من العدد الكبير من أسطح الجدران. أما بالنسبة لسلوك الهواء أثناء تحركه بعيدًا عن الفلتر، فإن إطار الفلتر يمنع الهواء من التحرك بحرية، وبدلاً من ذلك يتسبب في انبعاث الهواء في اتجاه مجرى النهر.
ينخفض الضغط بشكل ملحوظ عبر مرشح الهواء المسامي.
يمكن استخدام تصور الهواء المتحرك عبر الفلتر لاستنتاج ما إذا كان الفلتر سيزيل الملوثات من الهواء أم لا. لتأكيد هذا الاستنتاج، يمكن تقييم الحل باستخدام مخططات شرائح مختلفة. تشير إحدى مخططات الشرائح لهذا المثال إلى أن سرعة الهواء هي الأكثر تأثراً بمرشح الهواء المسامي والإطار، وأنها تتجانس من خلال منطقة الاستيقاظ. يُظهر مخطط شريحة يقيس الطاقة الحركية للاضطراب أن الطاقة الحركية للاضطراب تبلغ ذروتها بشكل ملحوظ داخل المرشح وتصل إلى قيم نموذجية على الجدران المانعة للانزلاق.
بشكل عام، يشير النموذج إلى انخفاض الضغط وزيادة كبيرة في الاضطراب داخل المرشح، مما يؤدي إلى اضطرابات في السرعة المتعامدة مع الاتجاه الرئيسي للتدفق وبالتالي زيادة احتمال اصطدام الجزيئات بجدران المسام والبقاء هناك. وبعبارة أخرى، فإن الزيادة في الاضطراب توفر الخلط المطلوب لتصفية الجسيمات غير المرغوب فيها، والتي لولا ذلك لتدفقت عبر المسام دون عائق.
رسم تخطيطي يوضح الطاقة الحركية للاضطراب. يكون مستوى الاضطراب أعلى بكثير في مرشح الهواء المسامي منه في التيار الحر أو بالقرب من جدران القناة.