Los sistemas de climatización hacen algo más que proporcionar el aire suave y frío que fluye cuando sube la temperatura exterior. Dentro de estos sistemas, el aire se mueve a través de filtros para garantizar una alta calidad del aire. Con el aire limpio en juego, la modelización y la simulación pueden utilizarse para comprender en profundidad la física que subyace al comportamiento del aire cuando se mueve a través de un filtro…
Modelado de un filtro de aire
Los filtros de los sistemas de climatización se basan en un material (a menudo fibra de vidrio o pliegues de algodón) capaz de filtrar el aire y atrapar partículas como el polvo, el polen y las bacterias. Estos materiales influyen en el flujo del aire, atrapando las partículas no deseadas y permitiendo al mismo tiempo el paso del aire filtrado. Modelizar estos dispositivos y el flujo turbulento que inducen permite determinar la eficacia de los distintos materiales cuando se utilizan como filtros, lo que ayuda a los diseñadores a reducir las opciones de materiales antes de invertir en versiones experimentales reales.
En esta entrada del blog, tomaremos como ejemplo una geometría común de filtro de aire (mostrada a continuación).
Geometría del modelo que muestra la sección de entrada y la sección de salida más larga con el filtro colocado en medio. La geometría del filtro está más densamente mallada que los dominios de fluido abiertos.
El modelado de este filtro de aire comienza con el módulo CFD, un producto complementario del programa COMSOL Multiphysics® que permite a los usuarios crear modelos de turbulencia Navier-Stokes promediada por Reynolds (RANS) en dominios abiertos y porosos. En este ejemplo, el filtro de aire se modela como un dominio altamente poroso con el 90% del material ocupado por poros cilíndricos de 0,1 mm de diámetro. El soporte del filtro de aire se representa mediante un bastidor con paredes antideslizantes. Para este ejemplo, empleamos el Flujo turbulento, k-ω debido a su precisión para modelos con muchas paredes, incluidas las paredes sin deslizamiento. (Encontrará una descripción detallada de la configuración del modelo en la documentación del mismo, a la que puede acceder mediante el botón situado al final de esta entrada del blog).
Evaluación de los resultados
La resolución del modelo permite visualizar el cambio en la turbulencia, la velocidad y la presión a medida que el aire se mueve hacia, a través y más allá del filtro. El cálculo comienza con el aire moviéndose hacia el filtro (púrpura en la imagen inferior). Cuando el aire atraviesa el filtro, la velocidad intersticial aumenta (aunque la velocidad media porosa permanece constante), lo que provoca un aumento de la energía cinética de la turbulencia. Además, se produce una caída brusca de la presión debido al aumento de la velocidad y al incremento de la fricción y las pérdidas de presión, que se derivan del elevado número de superficies de las paredes. En cuanto al comportamiento del aire a medida que se aleja del filtro, el marco del filtro impide que el aire se mueva libremente, provocando en su lugar estelas de aire corriente abajo.
La presión disminuye significativamente a través del filtro de aire poroso.
La visualización del aire moviéndose a través del filtro puede utilizarse para concluir si el filtro eliminará o no los contaminantes del aire. Para confirmar esta conclusión, la solución puede evaluarse con diferentes gráficos de cortes. Uno de los slice plots de este ejemplo indica que la velocidad del aire se ve más afectada por el filtro de aire poroso y el marco y que se homogeneiza a través de la región de la estela. Un slice plot que mide la energía cinética de la turbulencia muestra que ésta alcanza un pico notable dentro del filtro y alcanza valores típicos en las paredes sin deslizamiento.
En general, el modelo apunta a una caída de presión y a un aumento drástico de la turbulencia dentro del filtro, lo que crea perturbaciones en la velocidad perpendicular a la dirección principal del flujo, aumentando así también la probabilidad de que las partículas choquen con las paredes de los poros y permanezcan allí. En otras palabras, el aumento de la turbulencia proporciona la mezcla necesaria para filtrar las partículas no deseadas, que de otro modo fluirían a través de los poros sin ser perturbadas.
Un gráfico de cortes que muestra la energía cinética de la turbulencia. El nivel de turbulencia es significativamente mayor en el filtro de aire poroso que en la corriente libre o cerca de las paredes del conducto.