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HVAC-Systeme liefern mehr als nur die gleichmäßige, gekühlte Luft, die strömt, wenn die Außentemperatur steigt. In diesen Systemen strömt die Luft durch Filter, um eine hohe Luftqualität sicherzustellen. Wenn es um saubere Luft geht, können Modellierung und Simulation genutzt werden, um ein tiefgreifendes Verständnis der Physik hinter dem Verhalten der Luft beim Durchgang durch einen Filter zu erlangen.
Modellierung eines Luftfilters
Die Filter in HVAC-Systemen basieren auf einem Material (häufig Glasfaser- oder Baumwollfalten), das die Luft filtern und Partikel wie Staub, Pollen und Bakterien auffangen kann. Diese Materialien wirken sich auf den Luftstrom aus, fangen die unerwünschten Partikel ein und ermöglichen gleichzeitig den Durchfluss der gefilterten Luft. Die Modellierung dieser Geräte und der von ihnen verursachten turbulenten Strömung ermöglicht die Bestimmung der Wirksamkeit verschiedener Materialien bei ihrer Verwendung für Filter und hilft Designern, die Materialoptionen einzugrenzen, bevor sie in reale, experimentelle Versionen investieren.
In diesem Blogbeitrag betrachten wir als Beispiel eine gängige Luftfiltergeometrie (siehe unten).
Modellgeometrie, die den Einlassabschnitt und den längeren Auslassabschnitt mit dazwischen platziertem Filter zeigt. Die Filtergeometrie ist dichter vernetzt als die offenen Fluiddomänen.
Die Modellierung dieses Luftfilters beginnt mit dem CFD-Modul, einem Zusatzprodukt zu COMSOL Multiphysics® Software, mit der Benutzer Reynolds-gemittelte Navier-Stokes-Turbulenzmodelle (RANS) in offenen und porösen Bereichen erstellen können. In diesem Beispiel wird der Luftfilter als hochporöser Bereich modelliert, wobei 90 % des Materials von zylindrischen Poren mit einem Durchmesser von 0,1 mm eingenommen werden. Der Träger des Luftfilters ist ein Rahmen mit rutschfesten Wänden. Für dieses Beispiel haben wir das verwendet Turbulente Strömung, k-ω Schnittstelle aufgrund seiner Genauigkeit für Modelle mit vielen Wänden, einschließlich rutschfester Wände. (Eine ausführliche Betrachtung des Modellaufbaus finden Sie in der Modelldokumentation, die über die Schaltfläche am Ende dieses Blogbeitrags aufgerufen werden kann.)
Auswertung der Ergebnisse
Die Lösung des Modells ermöglicht die Visualisierung der Änderung der Turbulenz, der Geschwindigkeit und des Drucks, wenn sich die Luft auf den Filter zu, durch ihn hindurch und daran vorbei bewegt. Die Berechnung beginnt damit, dass sich die Luft zum Filter bewegt (lila im Bild unten). Wenn die Luft durch den Filter strömt, erhöht sich die interstitielle Geschwindigkeit (obwohl die poröse Durchschnittsgeschwindigkeit konstant bleibt), was zu einem Anstieg der kinetischen Energie der Turbulenz führt. Hinzu kommt ein schlagartiger Druckabfall aufgrund der Geschwindigkeitszunahme und der erhöhten Reibungs- und Druckverluste, die auf die hohe Anzahl an Wandflächen zurückzuführen sind. Was das Verhalten der Luft betrifft, wenn sie sich vom Filter entfernt, so verhindert der Rahmen des Filters, dass sich die Luft frei bewegen kann, und verursacht stattdessen stromabwärts gerichtete Luftströmungen.
Der Druck nimmt über dem porösen Luftfilter deutlich ab.
Die Visualisierung der durch den Filter strömenden Luft lässt Rückschlüsse darauf zu, ob der Filter Schadstoffe aus der Luft entfernt. Um diese Schlussfolgerung zu bestätigen, kann die Lösung mit verschiedenen Schnittdiagrammen bewertet werden. Eines der Schnittdiagramme für dieses Beispiel zeigt, dass die Geschwindigkeit der Luft am stärksten vom porösen Luftfilter und dem Rahmen beeinflusst wird und dass sie sich im Nachlaufbereich homogenisiert. Ein Schnittdiagramm zur Messung der kinetischen Energie der Turbulenz zeigt, dass die kinetische Energie der Turbulenz innerhalb des Filters merklich ihren Höhepunkt erreicht und an den rutschfesten Wänden typische Werte erreicht.
Im Allgemeinen deutet das Modell auf einen Druckabfall und einen dramatischen Anstieg der Turbulenzen innerhalb des Filters hin, was zu Geschwindigkeitsstörungen senkrecht zur Hauptströmungsrichtung führt und somit auch die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die Partikel mit den Porenwänden kollidieren und dort bleiben. Mit anderen Worten: Die Erhöhung der Turbulenz sorgt für die erforderliche Durchmischung, um die unerwünschten Partikel herauszufiltern, die andernfalls ungestört durch die Poren strömen würden.
Ein Schnittdiagramm, das die kinetische Energie der Turbulenz zeigt. Das Turbulenzniveau ist im porösen Luftfilter deutlich höher als im freien Luftstrom oder in der Nähe der Kanalwände.
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