Os sistemas HVAC fazem mais do que fornecer o ar frio e suave que flui quando a temperatura externa aumenta. Dentro desses sistemas, o ar passa por filtros para garantir alta qualidade do ar. Com o ar limpo em jogo, a modelagem e a simulação podem ser usadas para obter uma compreensão profunda da física por trás do comportamento do ar à medida que ele se move através de um filtro…
Modelando um filtro de ar
Os filtros dos sistemas HVAC dependem de um material (geralmente fibra de vidro ou dobras de algodão) capaz de filtrar o ar e capturar partículas como poeira, pólen e bactérias. Esses materiais impactam o fluxo de ar, capturando as partículas indesejadas e, ao mesmo tempo, permitindo que o ar filtrado flua. A modelagem desses dispositivos e do fluxo turbulento que eles induzem permite determinar a eficácia de diferentes materiais quando são usados em filtros, ajudando os projetistas a restringir as opções de materiais antes de investir em versões experimentais da vida real.
Nesta postagem do blog, veremos uma geometria comum de filtro de ar (mostrada abaixo) como nosso exemplo.
Geometria do modelo mostrando a seção de entrada e a seção de saída mais longa com o filtro colocado entre elas. A geometria do filtro é mais densamente emaranhada do que os domínios de fluido abertos.
A modelagem deste filtro de ar começa com o Módulo CFD, um produto complementar ao COMSOL Multiphysics® software, que permite aos usuários criar modelos de turbulência Navier-Stokes (RANS) com média de Reynolds em domínios abertos e porosos. Neste exemplo, o filtro de ar é modelado como um domínio altamente poroso com 90% do material ocupado por poros cilíndricos com diâmetro de 0,1 mm. O suporte do filtro de ar é representado por uma moldura com paredes antiderrapantes. Para este exemplo, empregamos o Fluxo Turbulento, k-ω interface devido à sua precisão para modelos com muitas paredes, incluindo paredes antiderrapantes. (Uma visão detalhada da configuração do modelo pode ser encontrada na documentação do modelo, que pode ser acessada através do botão no final desta postagem do blog.)
Avaliando os resultados
A resolução do modelo permite visualizar a mudança na turbulência, velocidade e pressão à medida que o ar se move em direção, através e passando pelo filtro. O cálculo começa com o ar se movendo em direção ao filtro (roxo na imagem abaixo). Quando o ar passa através do filtro, a velocidade intersticial aumenta (embora a velocidade média porosa permaneça constante), resultando em um aumento na energia cinética da turbulência. Além disso, há uma queda abrupta de pressão devido ao aumento da velocidade e ao aumento do atrito e das perdas de pressão, que decorrem do elevado número de superfícies de parede. Quanto ao comportamento do ar à medida que se afasta do filtro, a estrutura do filtro impede que o ar se mova livremente, causando, em vez disso, rastros de ar a jusante.
A pressão diminui significativamente através do filtro de ar poroso.
A visualização do ar movendo-se através do filtro pode ser usada para concluir se o filtro removerá ou não os contaminantes do ar. Para confirmar esta conclusão, a solução pode ser avaliada com diferentes gráficos de fatias. Um dos gráficos de fatia deste exemplo indica que a velocidade do ar é mais impactada pelo filtro de ar poroso e pela estrutura e que ele se homogeneiza através da região de esteira. Um gráfico de fatias que mede a energia cinética da turbulência mostra que a energia cinética da turbulência atinge um pico visivelmente dentro do filtro e atinge valores típicos nas paredes antiderrapantes.
Em geral, o modelo aponta para uma queda de pressão e um aumento dramático na turbulência dentro do filtro, criando perturbações na velocidade perpendicular à direção principal do fluxo, aumentando assim também a probabilidade das partículas colidirem com as paredes dos poros e permanecerem ali. Por outras palavras, o aumento da turbulência proporciona a mistura necessária para filtrar as partículas indesejadas, que de outra forma fluiriam através dos poros sem serem perturbadas.
Um gráfico de fatia mostrando a energia cinética da turbulência. O nível de turbulência é significativamente maior no filtro de ar poroso do que no fluxo livre ou próximo às paredes do duto.