Systemy HVAC nie tylko zapewniają gładkie, schłodzone powietrze, które przepływa, gdy temperatura na zewnątrz wzrasta. W tych systemach powietrze przepływa przez filtry, aby zapewnić wysoką jakość powietrza. W przypadku czystego powietrza można zastosować modelowanie i symulację, aby uzyskać dogłębne zrozumienie fizyki stojącej za zachowaniem powietrza przechodzącego przez filtr…
Modelowanie filtra powietrza
Filtry w systemach HVAC składają się z materiału (często z włókna szklanego lub bawełny), który może naprężać powietrze i wychwytywać cząstki stałe, takie jak kurz, pyłki i bakterie. Materiały te wpływają na przepływ powietrza, wychwytując niepożądane cząstki, jednocześnie umożliwiając przepływ przefiltrowanego powietrza. Modelowanie tych urządzeń i wywoływanego przez nie turbulentnego przepływu pozwala określić skuteczność różnych materiałów stosowanych w filtrach, pomagając projektantom zawęzić opcje materiałowe przed zainwestowaniem w rzeczywiste, eksperymentalne wersje.
W tym poście na blogu jako nasz przykład przyjrzymy się typowej geometrii filtra powietrza (pokazanej poniżej).
Modeluj geometrię przedstawiającą sekcję wlotową i dłuższą sekcję wylotową z umieszczonym pomiędzy nimi filtrem. Geometria filtra ma gęściejsze oczka niż otwarte domeny płynu.
Modelowanie tego filtra powietrza rozpoczyna się od modułu CFD, produktu dodatkowego do COMSOL Multiphysics® oprogramowanie umożliwiające użytkownikom tworzenie modeli turbulencji Naviera-Stokesa (RANS) uśrednionych metodą Reynoldsa w obszarach otwartych i porowatych. W tym przykładzie filtr powietrza zamodelowano jako wysoce porowatą domenę, w której 90% materiału zajmują cylindryczne pory o średnicy 0,1 mm. Podparcie filtra powietrza stanowi rama ze ściankami antypoślizgowymi. W tym przykładzie zastosowaliśmy Przepływ turbulentny, k-ω interfejs ze względu na jego dokładność w przypadku modeli z wieloma ścianami, w tym ścianami antypoślizgowymi. (Dokładne omówienie konfiguracji modelu można znaleźć w dokumentacji modelu, do której można uzyskać dostęp za pomocą przycisku na końcu tego wpisu na blogu.)
Ocena wyników
Rozwiązanie modelu pozwala na wizualizację zmian turbulencji, prędkości i ciśnienia, gdy powietrze przemieszcza się w kierunku, przez i obok filtra. Obliczenia rozpoczynają się od ruchu powietrza w kierunku filtra (fioletowy na obrazku poniżej). Kiedy powietrze przechodzi przez filtr, prędkość międzywęzłowa wzrasta (chociaż średnia prędkość dla porowatości pozostaje stała), co powoduje wzrost energii kinetycznej turbulencji. Dodatkowo następuje gwałtowny spadek ciśnienia spowodowany wzrostem prędkości oraz zwiększonym tarciem i stratami ciśnienia, które wynikają z dużej liczby powierzchni ścian. Jeśli chodzi o zachowanie powietrza oddalającego się od filtra, rama filtra zapobiega swobodnemu przepływowi powietrza, powodując w zamian powstawanie strumieni powietrza za filtrem.
Ciśnienie znacznie spada na porowatym filtrze powietrza.
Wizualizacja powietrza przepływającego przez filtr pozwala stwierdzić, czy filtr usunie zanieczyszczenia z powietrza. Aby potwierdzić ten wniosek, rozwiązanie można ocenić za pomocą różnych wykresów przekrojowych. Jeden z wykresów przekrojowych w tym przykładzie wskazuje, że na prędkość powietrza największy wpływ mają porowaty filtr powietrza i rama oraz że powietrze homogenizuje się w obszarze śladu. Wykres plasterkowy mierzący energię kinetyczną turbulencji pokazuje, że energia kinetyczna turbulencji osiąga zauważalny szczyt w obrębie filtra i osiąga typowe wartości na ściankach antypoślizgowych.
Ogólnie model wskazuje na spadek ciśnienia i dramatyczny wzrost turbulencji w filtrze, powodując zaburzenia prędkości prostopadłe do głównego kierunku przepływu, zwiększając w ten sposób prawdopodobieństwo zderzenia cząstek ze ściankami porów i pozostania tam. Innymi słowy, wzrost turbulencji zapewnia mieszanie wymagane do odfiltrowania niepożądanych cząstek, które w przeciwnym razie przepływałyby przez pory w niezakłócony sposób.
Wykres plasterkowy przedstawiający energię kinetyczną turbulencji. Poziom turbulencji jest znacznie wyższy w porowatym filtrze powietrza niż w swobodnym strumieniu lub w pobliżu ścianek kanału.