belépés / regisztráció
2019. december 12. csütörtök
Aktuális lapszám

Részlegesen korlátozott légsugár jellemzőinek elemzése

Az érintőleges légvezetési rendszerek széleskörű alkalmazása lehetővé teszi a megfelelő komfort biztosítását a zárt terekben. Ezen légvezetési rendszerek esetében a levegő átöblítésében és a megfelelő komfort elérésében kulcsszerepet játszik a részlegesen korlátozott légsugár. Ebben az esetben a befúvó és a fal közötti távolság zérustól nagyobb, a feltapadás a befúvástól meghatározott távolságban következik be, amit a szakirodalom tapadási távolságnak nevez [1, 2, 3, 4].

 

Ezen légsugarak alkalmazásának előnye, hogy hosszabb utat tesznek meg, mire elérik a tartózkodási zónát, ezáltal nagyobb hőmérsékletkülönbség engedhető meg a befúvásnál, továbbá a helyiség átszellőzési sémája jól tervezhető, időben stabil [5].

A témával foglalkozó szakirodalmakban szereplő vizsgálatokat főként mérőállásokon és nem beépítési állapotban, a teljes légvezetési rendszert vizsgálva végezték el. Továbbá a vizsgálatok jelentős részénél a befúvásra számított Reynolds-szám jóval meghaladta a komfort épületgépészeti alkalmazásokban jellemző, gyakorlatban alkalmazott értékeket. Ennek megfelelően célszerűnek látszik a tapadási távolság elemzése érintőleges légvezetési rendszer alkalmazása esetén.

A részlegesen korlátozott légsugarak egyik nagyon fontos jellemzője az ún. tapadási távolság (yt), ami meghatározza a helyiségben kialakuló áramképet is [6, 7]. A feltapadás folyamata a következőképpen foglalható össze. Az 1. ábrán látható s0 szélességű résből v0 sebességgel kiáramló légsugár és a fal közötti recirkulációs zónában a környezetihez képest kisebb nyomás alakul ki (p2 < p1), hiszen a légsugár a fal felől nem injektálhat levegőt. Ennek eredményeként jelentkezik a Coanda-hatás, majd a levegősugár feltapad a felületre és innentől fali légsugárként áramlik tovább [8, 9, 10].

A légsugarak elemzésénél az áramlás legfontosabb jellemzői a befúvás tengelye és az azzal párhuzamos felület közötti távolság (h), a rés szélessége (s0) és a befúvási sebesség (v0). További paraméterek a befújt közeg anyagjellemzői: sűrűség (ρ0) és a kinematikai viszkozitás (ν0) [11]. A befújt légsugár feltapadásában szerepet játszó további jellemzők a befúvó oldalviszonya (AR = Aspect Ratio), amely a befúvó hosszának és szélességének a hányadosa, illetve a távolsági arány (OR = Offset Ratio), amely a befúvó és a fal közötti távolság a rés szélességére, mint jellemző méretre vonatkoztatva [3].

Sawyer [11] elméleti úton, illetve kísérleti módszerrel vizsgálta a sugár feltapadását egy felületre. A tapadási távolságot a fal mentén mért statikus nyomás eloszlás helyi maximumánál feltételezte, ezt később több kutató [1, 2, 3, 8, 10] is megerősítette.

A tapadási távolság változását elemezve Rajaratnam és Subramanya megállapították, hogy nagy (jellemzően 104 körüli) Reynolds-számok esetében a geometriának (OR és AR) domináns hatása van, amit Sawyer [11], Pelfrey és Liburdy [12], illetve Bourque [13] is megfigyelt.

Nagy távolsági arányok esetében (6 < OR < 70) a tapadási távolság befúvástól mért relatív távolsága (yt/s0) [3]: yt/s0 = 1,37*(h/s0) + 3,0 (1) Nozaki és munkatársai azt is megállapították, hogy a tapadási távolság helyzete független a Re-számtól 2*104 < Re < 7*104 tartományban, ha AR = 8, illetve 1,6 < OR < 16. Abban az esetben, ha AR = 1, 2 és 3, illetve 1,6 < OR < 16, a Re-szám és az oldalfal hatása növekszik a tapadási távolság kialakulására, különösen akkor, ha az oldalviszony csökken. Ezt az eredményt Nozaki [4]-ben is megerősítette.

A fenti vizsgálatokhoz elsősorban kísérleti módszereket, részben pedig analitikus elemzést alkalmaztak. A numerikus szimuláció során (CFD = Computational Fluid Dynamics) az áramlási folyamatokat leíró parciális differenciálegyenleteket közelítően megoldjuk a véges térfogatok módszerét alkalmazva. Mivel turbulens áramlások esetében szükség van a turbulencia modellezésére, így ez a modell kiegészül a megfelelő turbulencia modellekkel.

Numerikus módszer

A vizsgálatok során alkalmazott feltételezések, összhangban a szakirodalommal a következők:

  • Időben állandósult, turbulens áramlás.
  • Izotermikus befúvás.
  • A légsugár áramlása kétdimenziósnak tekinthető az x-y síkban (1. ábra).
  • Az áramló levegő összenyomhatatlan, ideális gáz.
  • A geometria rögzített, s0 = 12 mm, h = 260 mm, így AR = 83,3 és OR = 21,7.
  • A befúvóra számolt Reynoldsszám Re = 4*103.

A numerikus szimuláció az Ansys Fluent szoftverrel készült, ennek során kétdimenziós síkáramlást elemeztünk (ld. fenti peremfeltételek) összesen 338 965 cellával, a 3000 x 2800 mm méretű számítási tartományban, a fali háló sűrítésével. A vizsgálatokat a fenti peremfeltételekre vonatkozóan, állandó Re = 4*103 mellett végeztük el. Háromféle turbulencia modellt alkalmaztunk: Standard-, Realizable- és RNG k – ĺ modellek Enhanced és Standard Wall Function falkezeléssel, Coupled numerikus sémával, valamint QUICK, power law és second order upwind diszkretizációkkal. Ezek közül a legpontosabb eredményt a standard k-ĺ modell szolgáltatta.

A 2. ábrán a fal menti statikus nyomás eloszlása látható a korábban megfogalmazott peremfeltételek esetére. Ezen bejelöltük a fal menti statikus nyomáseloszlás helyi maximumát, amely megadja a tapadási távolság helyét is egyben, illetve a recirkulációs zónához tartozó statikus nyomáseloszlást a fal mentén. A standard k-ĺ modellel számított tapadási távolságokat különböző távolsági arányok függvényében, a fenti feltételezések mellett a 3. ábra mutatja.

Ezen jól megfigyelhető, hogy a résbefúvó minél távolabb kerül a falfelülettől, a feltapadás annál később következik be. A kapott numerikus eredményeket összehasonlítva a korábbi kutatási eredményekkel megfelelő egyezés tapasztalható. Mint azt a bevezetésben már bemutattuk, minél hosszabb a légsugár útja a befúvástól a tartózkodási zónáig, annál nagyobb hőmérsékletkülönbség engedhető meg a befúvásnál, továbbá a helyiség légátöblítése is hatékonyabb lehet. Ennek megfelelően elvárás, hogy a feltapadás minél közelebb történjen a befúváshoz, tehát minél kisebb legyen a tapadási távolság, azonos falhosszúság esetén.

Irodalomjegyzék:

[1] Sushil Kumar Rathore, Manab Kumar Das: Comparison of two low- Reynolds number turbulence models for fluid flow study of wall bounded jets. International Journal of Heat and Mass Transfer 61, pp. 365 – 380, 2013.
[2] Rajaratnam N.; Subramanya N.: Plane turbulent reattached wall jets. Proceedings of the ASCE, Journal of the Hydraulic Division, vol. 94, pp. 95 – 112, 1968.
[3] Nozaki T; Hatta K; Nakashima M; Matsumura H.: Reattachment flow issuing from a finite width nozzle. Bull JSME, vol. 22, pp. 340 – 347, 1979.
[4] Tsutomu Nozaki: Reattachment flow issuing from a finite width nozzle (report 4: Effects of aspect ratio of the nozzle). Bulletin of the JSME, Vol. 26, No. 221, November 1983, pp. 1884 – 1890.
[5] Pénzes Gy.: Sugárszellőzés alkalmazási lehetőségei. ÉTI Évkönyv 1977, pp. 330 – 339. ISSN 0133 – 4425.
[6] J. Moureh, D. Flick: Airflow characteristics within a slot-ventilated enclosure. International Journal of Heat and Fluid Flow 26, pp. 12–24, 2005.
[7] Jean Moureh, Denis Flick:Wall air jet characteristics and air?ow patterns within a slot ventilated enclosure. International Journal of Thermal Sciences 42, pp. 703–711, 2003.
[8] Toshihiko Shakouchi; Sadao Kuzuhara: Analysis of a Jet Attaching to an Offset Parallel Plate. Bulletin of the JSME, Vol. 25, No. 203, pp. 766 – 773, 1982.
[9] S. V. Alekseenko; D. M. Markovich: Reattachment of a plane turbulent jet to a wall upon injection and suction. Journal of Applied Mechanics and Technical Physics, Vol. 38. No. 3, pp. 417 – 422, 1997.
[10] A. Nasr, J. C. S. Lai: A turbulent plane offset jet with small offset ratio. Experiments in Fluids 24(1998), pp. 47 – 57, Springer- Verlag, 1998.
[11] R. A. Sawyer: The flow due to a twodimensional jet issuing parallel to a flat plate. Engineering Department, Cambridge University. Journal of Fluid Mechanics, Volume 9, Issue 04, December 1960, pp. 543 – 559.
[12] Pelfrey J. R. R.; Liburdy J. A.: Mean flow characteristics of a turbulent offset jet. Transactions of the ASME, Journal of Fluids Engineering, vol. 108, pp. 82 – 88, 1986.
[13] Bourque, C.: M.Sc. Thesis. University of Laval. Also Aero. Quart. 11, 201, 1959.

***

1. ábra. Részlegesen korlátozott légsugár
2. ábra. Statikus nyomás eloszlása a fal mentén
3. ábra. Tapadási távolság a távolsági arány függvényében

Both Balázs
tanársegéd, BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnika Tanszék

Goda Róbert
egyetemi tanársegéd
BME Épületgépészeti és Gépészeti Eljárástechnikai Tanszék

A szerzõ egyéb cikkei:

  A turbulencia mérésének jelentősége a huzathatás elemzésekor

Eseménynaptár

Hirdetés
Kiadja a Média az épületgépészetért Kft.
Szerkesztőség és kiadóhivatal:
H-1112 Budapest, Oltvány u. 43. I/2.
Telefon: +36 (1) 614 5688
E-mail: kiado@magyarinstallateur.hu

 
Előfizetésben terjeszti a Magyar Posta Zrt. Hírlap Igazg.
Előfizetés és reklamáció: +36 (1) 767-8262
E-mail: hirlapelofizetes@posta.hu
 
 
elfelejtettem a jelszavam