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Les systèmes CVC font bien plus que fournir de l’air doux et frais qui circule lorsque la température extérieure augmente. Au sein de ces systèmes, l’air circule à travers des filtres pour garantir une qualité d’air élevée. Alors que l’air pur est en jeu, la modélisation et la simulation peuvent être utilisées pour acquérir une compréhension approfondie de la physique derrière le comportement de l’air lorsqu’il traverse un filtre…
Modélisation d'un filtre à air
Les filtres des systèmes CVC reposent sur un matériau (souvent des plis en fibre de verre ou en coton) capable de filtrer l'air et de capter les particules telles que la poussière, le pollen et les bactéries. Ces matériaux ont un impact sur le flux d’air, capturant les particules indésirables tout en permettant simultanément à l’air filtré de circuler. La modélisation de ces dispositifs et de l'écoulement turbulent qu'ils induisent permet de déterminer l'efficacité de différents matériaux lorsqu'ils sont utilisés pour les filtres, aidant ainsi les concepteurs à affiner les options de matériaux avant d'investir dans des versions expérimentales réelles.
Dans cet article de blog, nous examinerons une géométrie de filtre à air courante (illustrée ci-dessous) à titre d'exemple.
Géométrie du modèle montrant la section d'entrée et la section de sortie la plus longue avec le filtre placé entre les deux. La géométrie du filtre est maillée plus densément que les domaines fluides ouverts.
La modélisation de ce filtre à air commence avec le module CFD, un produit complémentaire à COMSOL Multiphysics® logiciel, qui permet aux utilisateurs de créer des modèles de turbulence Navier-Stokes (RANS) moyennés par Reynolds dans des domaines ouverts et poreux. Dans cet exemple, le filtre à air est modélisé comme un domaine hautement poreux avec 90 % du matériau occupé par des pores cylindriques d'un diamètre de 0,1 mm. Le support du filtre à air est représenté par un cadre à parois antidérapantes. Pour cet exemple, nous avons utilisé le Écoulement turbulent, k-ω interface en raison de sa précision pour les modèles comportant de nombreux murs, y compris les murs antidérapants. (Un aperçu approfondi de la configuration du modèle peut être trouvé dans la documentation du modèle, accessible via le bouton à la fin de cet article de blog.)
Évaluation des résultats
La résolution du modèle permet de visualiser le changement de turbulence, de vitesse et de pression à mesure que l'air se déplace vers, à travers et au-delà du filtre. Le calcul commence avec l'air se déplaçant vers le filtre (violet dans l'image ci-dessous). Lorsque l'air traverse le filtre, la vitesse interstitielle augmente (bien que la vitesse moyenne poreuse reste constante), ce qui entraîne une augmentation de l'énergie cinétique de turbulence. De plus, il se produit une chute brutale de pression due à l'augmentation de la vitesse et à l'augmentation des pertes de charge et de friction, qui proviennent du nombre élevé de surfaces de paroi. Quant au comportement de l'air lorsqu'il s'éloigne du filtre, le cadre du filtre empêche l'air de se déplacer librement, provoquant au contraire des sillages d'air en aval.
La pression diminue considérablement à travers le filtre à air poreux.
La visualisation de l'air circulant à travers le filtre peut être utilisée pour déterminer si le filtre éliminera ou non les contaminants de l'air. Pour confirmer cette conclusion, la solution peut être évaluée avec différents slice plots. L'un des tracés en tranches de cet exemple indique que la vitesse de l'air est la plus influencée par le filtre à air poreux et le cadre et qu'elle s'homogénéise dans la région de sillage. Un tracé en tranches mesurant l'énergie cinétique de turbulence montre que l'énergie cinétique de turbulence culmine sensiblement à l'intérieur du filtre et atteint des valeurs typiques sur les parois antidérapantes.
En général, le modèle indique une chute de pression et une augmentation spectaculaire des turbulences à l'intérieur du filtre, créant des perturbations de vitesse perpendiculaires à la direction principale de l'écoulement, augmentant ainsi également la probabilité que les particules entrent en collision avec les parois des pores et y restent. En d’autres termes, l’augmentation de la turbulence fournit le mélange nécessaire pour filtrer les particules indésirables, qui autrement s’écouleraient à travers les pores sans être perturbées.
Un tracé en tranches montrant l'énergie cinétique de la turbulence. Le niveau de turbulence est nettement plus élevé dans le filtre à air poreux que dans le flux libre ou à proximité des parois des conduits.
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