Ověření charakteru proudění vzduchu v blízkosti vířivého anemostatu

Úvod

Pro zjištění rychlostních a teplotních polí ve větraném prostoru lze použít experimentální měření na vytvořeném modelu. Takto získané výsledky mají značnou vypovídající hodnotu, ne vždy je však možné experiment provést, a to jak z časových, ekonomických, či pouze prostorových důvodů. Pro předpověď výsledných hodnot se proto stále častěji používá počítačová mechanika tekutin (CFD). To platí i o distribuci přiváděného vzduchu, kdy však nevhodné použití okrajových podmínek na modelu v CFD může negativně ovlivnit charakter proudění vzduchu v celé místnosti.

Chen a Srebric [1] proměřili několik typů vzduchotechnických výustí a sestavili pro ně zjednodušující modely, které slouží pro zadání okrajových podmínek do CFD. Součástí práce byl i výzkum vířivého anemostatu. Ze známých zjednodušujících přístupů [3] byla zvolena metoda zadání okrajových podmínek na čele distribučního elementu.

Na Ústavu techniky prostředí fakulty strojní, ČVUT v Praze byla provedena série experimentálního měření na vířivém anemostatu, jejichž cílem bylo stanovení nejvýhodnějších okrajových podmínek při simulačních CFD výpočtech. Hlavní důraz byl kladen na stanovení výstupního úhlu z vířivé výusti. Součástí experimentu bylo i měření systémem PIV.

Popis měřeného vířivého anemostatu

Proměřována byla vířivá výusť firmy Trox WDV Q 400x16, o rozměrech 400x400 mm, 16 přívodních lamel. Na desku vířivého anemostatu byl instalován přechodový box s vertikálním napojením z důvodu rovnoměrného výtoku proudu vzduchu z výusti.

Experiment

Pro účely měření bylo využito stávající měřicí komory v laboratořích Ústavu techniky prostředí. Experimentální komora je obdélníkového půdorysu o rozměrech 4,2 x 3,6 m a výšce 3 m. Na obr. 1 je vidět celkové schéma experimentálního zařízení.

Obr. 1 Schéma experimentálního měření: 1) vzduchotechnická jednotka, 2) potrubní rozvody, 3) clonková trať,
4) distribuční element, 5) experimentální komora, 6) odvodní otvory, 7) nasávání vnitřního vzduchu

Proměřován byl izotermní přívod vzduchu o objemovém průtoku 200 m³.h^-1. Pro stanovení průtoku vzduchu byla použita clonková trať, vřazená do přívodního potrubí. Měření rychlostního pole bylo provedeno soustavou termoanemometrů, jejichž výrobcem je polská firma Sensor Electronic & Measurement Equipment. Systém se skládá ze 16 sond HT-412, každá se samostatným A/D převodníkem HT-428.

Pro posun a rotaci čidel byl sestrojen traverzovací mechanismus, jehož možnosti jsou vidět na obr. 2. Měření probíhalo v 8 rovinách, jednotlivé roviny byly oproti sobě pootočeny o 45°. Proměřována byla oblast proudění do vzdálenosti r = 1,79 m od středu anemostatu. Měření bylo provedeno do vzdálenosti od stropu h = 0,6 m.

Systémem rovinné laserové anemometrie PIV byl stanoven úhel α, pod kterým proud vzduchu z anemostatu vytéká (obr. 5). Získaný výstupní úhel (α = 45°) byl použit jako vstupní okrajová podmínka do CFD.

Na základě porovnání měření a hodnot získaných CFD nebyla (při zadání skutečného výstupního úhlu z anemostatu α = 45°) zjištěna shoda rychlostního pole. Proto byl v dalších CFD simulacích výstupní úhel α měněn.

Obr. 2 a) Proměřované roviny pro úhel natočení ω - půdorys, b) proměřovaná oblast při natočení 0° a 180° - bokorys

Výsledky měření

Na obr. 3 jsou zobrazeny rychlostní profily pro jednotlivé vzdálenosti od středu anemostatu. Na obr. 4 jsou rychlostní profily ve vzdálenosti 1 m od středu anemostatu pro jednotlivá natočení dle obr 2.

Obr. 3 Rychlostní profily pro jednotlivé vzdálenosti od středu anemostatu pro natočen ω = 0°

Obr. 4 Rychlostní profily pro vzdálenost od středu anemostatu r = 1 m pro různá natočení ω

Součástí experimentu bylo také stanovení výstupního úhlu metodou PIV. Z naměřeného souboru dat byla vypočtena hodnota vystupujícího úhlu proudu vzduchu α = 45°. Vypočtená hodnota byla zadána jako vstupní okrajová podmínka do CFD simulace v programu Fluent. Zadání do CFD výpočtu je provedeno zjednodušujícím způsobem viz obr. 6.

Obr. 5 Stanovení výstupního úhlu proudu vzduchu PIV metodou v proměřované oblasti

Obr. 6 Zjednodušující přístup zadání vířivé výusti

Předpověď rychlostí v experimentální komoře (CFD) při zadání výstupního úhlu z anemostatu α = 45° a 15° je vidět na obr. 7. Jasně patrný je rozdíl charakteru rychlostního pole.

Obr. 7 Kontury rychlosti v osovém řezu komory, a) výst. úhel α = 45°, b) výst. úhel α = 15°

Na obr. 8 jsou vidět rychlostní profily pro různé výstupní úhly α proudícího vzduchu získané numerickým výpočtem, součástí obrázku je i skutečný naměřený rychlostní profil.

Obr. 8 Rychlostní profily (CFD) pro vzdálenost odstředu anemostatu r = 1 m pro různé výstupní úhly α

Závěr

Při numerickém výpočtu při zadaném výstupním úhlu α = 45° (na rozdíl od skutečnosti) nedochází ke Coandovu efektu (obr. 7), proud vzduchu směřuje dolů. Při experimentálním měření byl však Coandův efekt jasně prokázán, a to jak vizuálně (kouřovou zkouškou), tak i na základě naměřených dat. Na obr. 8 je patrné, že změnou výstupního úhlu v CFD se skutečnému rychlostnímu profilu lze přibližovat. Přesto je i při zadání směru vystupujícího vzduchu α = 15° rozdíl maximální rychlosti se skutečností výrazný.

Dalším postupem k přiblížení numerického výpočtu k experimentálně naměřeným datům bude numerický výpočet s výtupním úhlem přiváděného vzduchu α = 5° a 10°. Následovat bude případně rozdělení anemostatu na více dílčích ploch či jiná modifikace okrajových podmínek.

Literatura

[1] CHEN, Q., SREBRIC J. Simplified Diffuser Boundary Conditions for Numerical Room Airflow Models. ASHRAE RP-1009. Massachusetts Institute of Technology, 2001
[2] HEMZAL, K. Vybrané stati z větrání. ČVUT v Praze, Fakulta Strojní, Ústav techniky prostředí, 1973
[3] SCHWARZER, Jan, TÓTH Luděk. 18. Konference klimatizace a větrání 2008. Příspěvek Modelování koncových prvků ve vzduchotechnice. Společnost pro techniku prostředí, 2008, ISBN 978-80-02-01978-7

Článek je součástí vyzkumného záměru MŠM 6840770011 Technika životního prostředí.