CFD simulace vlivu proudění okolního prostředí na lokální sávání Krajča, Karel 1, Janotková, Eva 2, 1 Ing. FSI VUT v Brně, Technická 2, 616 69 Brno, karelkrajca@centrum.cz Abstrakt: 2 Doc., Ing., CSc., janotkova@fme.vutbr.cz This paper deals with CFD simulations results presentation of cross flow (e.g. draft) influence on capture efficiency of exhaust hos. Main part is related to velocity fields, and pollutant concentration field behind ho. Two types of ho were chosen to compare standard ho (only suction) and reinforced exhaust system REEXS (suction combined with jet supply). The comparison was done for velocity field without cross flow and with cross flow 0,1 to 0,5m.s -1. The results will be in future compared with measurement in our laboratory. StarCD program was used for those CFD simulations. Klíčová slova: CFD, účinnost lokálního sávání, proudové pole, pole koncentrací, příčný proud Zesílený sávací nástavec Jako jednu z možností ochrany pracovníků před účinky šklivin lze použít místní sávání, jímž se vede značná část šklivin z prostoru vzniku a zabrání se jejich rozšíření do oblasti pobytu pracovníků. Hlavní a nejdůležitější částí, která má velký vliv na celkovou účinnost lokálního sávání, je sávací nástavec. Dosavadní výzkumy se většinou zaobíraly určováním hlavních charakteristik sávacích nástavců pracujících v klidném prostředí. Náš výzkum je zaměřen na charakteristiky sacích nástavců při definovaném proudění okolního prostředí, které by mělo simulovat například průvan vzniklý otevřením vrat ve výrobní hale. Tento článek je zaměřen na porovnání vlastností štěrbinových sávacích nástavců při různých nastavených pracovních parametrech. Porovnávány byly dva typy nástavců, jednuchý (klasický) nástavec (který vzduch pouze sává, tedy i z míst kde není okolní vzduch znečištěn šklivinami) a zesílený sávací systém REEXS [1] (který využívá radiálního přívu vzduchu) Obr. 1. U Obr. 1. Schéma zesíleného sacího nástavce zesíleného sacího nástavce je možné měnit obraz proudění před sávacím otvorem, a tím dosáhnout lepších sávacích účinků. Základním pracovním parametrem, který ovlivňuje funkci zesíleného sacího nástavce, je poměr průtokových hybností I, definovaný vztahem:
I m př u př př = m w m hmotnostní tok přiváděného vzduchu; u př výtoková rychlost radiálního proudu vzduchu; m hmotnostní tok sávaného vzduchu; w rychlost sávaného vzduchu ve vstupním průřezu CFD mel Melový prostor znázorňuje zjednušeně část místnosti (laboratoře) v okolí sacího nástavce. Tento prosto má rozměry půdorysu 2120 x 2080 mm a výšku (místnosti) 3800 mm - Obr. 2. Do tohoto prostoru byl vymelován štěrbinový sací nástavec zesíleného sávacího systému umístěný ve středu zadní stěny melového prostoru, ve výšce 1280 mm nad zemí a zasunutý do prostoru 294 mm. Rozměry vymelovaného sacího nástavce povídají nástavci umístněnému v laboratoři, aby bylo možno výsledky CFD simulací v budoucnu přímo porovnávat s výsledky experimentů. Koncovým plochám sávací štěrbiny a přívních štěrbin nástavce byly přiřazeny okrajové pmínky vstup - inlet (přív kladné hnoty, sávání záporné hnoty rychlosti vzduchu) Obr. 3. Zdroj příčného proudu (průvanu) tvoří část pravé stěny melového prostoru o rozměrech cca 1x1 m (umístěné symetricky okolo sacího nástavce), které jsem přiřadil také okrajovou pmínku inlet. Pro plochy melu, přes které nemůže vzduch proudit ven, tj. strop, plahu, stěny vyústky a okolí zdroje příčného proudu byla zvolena okrajová pmínka stěna - wall. Ostatním okolním stěnám byly přiřazeny tlakové pmínky - presure, aby mohl vzduch proudit dovnitř i ven z melu a vyrovnávaly se rozdíly mezi přivedeným a sátým množstvím vzduchu. V melu bylo umístněno i 9 buněk typu skalár ve vzdálenosti 90 mm čela vyústky, kterým byla přiřazena vlastnost zdroje škliviny, pro simulování jejího šíření v prostoru před sacím nástavcem [2]. Jako šklivina byl vybrán oxid uhličitý, jelikož se v současné době pomocí něj určuje účinnost sávacího nástavce metou stopového plynu v naší laboratoři. Rozmístění a číslování jednotlivých zdrojů CO 2 je znázorněno na Obr. 4. Množství přiváděného a váděného vzduchu sací nástavcem jsem volil stejné jako pro reálné 4, 1, 7 5, 2, 8 6, 3, 9 Obr. 2. Pohled na melový prostor Obr.3. Znázornění okrajových pmínek inlet v řezu sacího nástavce 4 1 7 5 2 8 6 3 9 a) boční pohled b) čelní pohled Obr. 4. Poloha buněk typu skalár ve vzdálenosti 90 mm čela sacího nástavce experimenty v laboratoři (poměr průtokových hybností I = 0 pro klasický sávací nástavec a I = 0,6 pro zesílený sávací nástavec), rychlost příčného proudu vzduchu v okolí sacího nástavce byly brány stejné jako hraniční pmínky chystaného experimentu (w = 0 až 0,5 m.s -1 ).
Výsledky CFD simulací Pro vyhnocení různých variant výpočtu melových situací jsem zvolil grafické znázornění rychlostí a koncentrací ve dvou řezech melového prostoru přes sacím nástavcem viz obr 5. Výsledkem CFD simulací jsou rychlostní mapy a pole koncentrací CO 2 v okolí nástavce, z nichž je patrno jak příčný proud deformuje oblast sávání a rychlosti v této oblasti. Obr. 5. Znázornění horizontálního (vlevo) a vertikálního(vpravo) řezu melovým prostorem A) Klasický sací nástavec bez proudění okolního prostředí První varianta ukazuje proudění a pole koncentrací CO 2 pro klasický sací nástavec bez příčného proudu. Obrázky A1. a A2. ukazují, že proudění vyvolané pouze sáváním sacím nástavcem je všesměrové a rychlosti proudění v jeho blízkosti velmi rychle klesají na minimální hnoty. Obrázky A3. A6. zobrazují pomocí hnot koncentrací směr šíření CO 2 ze zdrojů 2, 1, 5 a 8 (popsaných výše). Z uvedených obrázků je vidět jak CO 2 je rovnoměrně sáváno ze všech míst vzniku. Obr. A1. Obr. A2. Obr. A3. Obr. A4. Obr. A5. Obr. A6.
B) Klasický sací nástavec s prouděním okolního prostředí rychlostí 0,4 m.s -1 Druhý mezní stav výpočtu klasického sacího nástavce je zobrazen na následujících obrázcích B1. až B6. Bylo opět nastaveno pouze sávání, tj. klasický sací nástavec, ale tentokrát při proudění okolního vzduchu rychlostí 0,4m.s -1. Obrázky B1. a B2. ukazují proudění vyvolané sacím nástavcem a příčným proudem. Rychlostní pole je ovlivněno příčným proudem tak, že sávání již není všesměrové, ale je zúženo pouze do oblasti, která je natažena sávacího nástavce proti směru příčného proudu vzduchu. Odsáván je tedy pouze vzduch, který leží v této oblasti. Dosah proudu je opět malý, stejně jako v první variantě výpočtu bez příčného proudu vzduchu. Z uvedených obrázků B3. B6. vyplývá, že CO 2 je zcela sáváno z míst ležících proti příčnému proudu, tj. ze zdroje 5, a CO 2 ze zdroje 8 je nášeno příčným proudem do okolního prostředí. Obr. B1. Obr. B2. Obr. B3. Obr. B4. Obr. B5. Obr. B6. C) Zesílený sací nástavec bez proudění okolního prostředí Na obrázcích C1. až C6. jsou znázorněny výsledky výpočtu zesíleného sacího nástavce pro klidné okolní prostředí. Obrázky C1. a C2. ukazují rychlostní pole vyvolané zesíleným sacím nástavcem, které v porovnání s klasickým je více směrové a rychlost klesá se vzdáleností čela nástavce mnohem pomaleji, tzn. proudové pole má větší dosah. Dále je patrno, že zde vznikají dva sekundární proudy vzduchu strhávané radiálními proudy ze sacího nástavce, které ohraničují proud směřující do sávací štěrbiny.
Z obrázků C3. C6. vyplývá, že vertikální proud vzduchu z přívních štěrbin nástavce ovlivňuje sávání z míst ležících nad a p horizontálním řezem melového prostoru viz obr. C4 (část vznikajícího CO 2 se dostane do sekundárních proudů a je nesena do okolního prostředí). Zachycení CO 2 generovaného v horizontálním řezu melového prostoru je pobné jako při sávání klasickým nástavcem bez příčného proudu vzduchu, ale pole koncentrací je razantně ztenčeno. Obr. C1. Obr. C2. Obr. C3. Obr. C4. Obr. C5. Obr. C6. D) Zesílený sací nástavec s prouděním okolního prostředí rychlostí 0,4 m.s -1 Na následující sadě obrázků jsou znázorněny výsledky výpočtu zesíleného sacího nástavce při rychlosti příčného proudu vzduchu 0,4 m.s -1. Obrázky D1. a D2. zobrazují rychlostní pole před zesíleným sacím nástavcem, které v porovnání s klidným okolním prostředím je opět značně ovlivněno příčným proudem, zejména v horizontálním řezu melového prostoru, zatímco vertikální řez melového prostoru není výrazně ovlivněn. Z obrázků D3. D6. vyplývá, že stejně jako v stavci C), CO 2 generované nad a p horizontální řezem melového prostoru se dostane do sekundárních proudů a je neseno do okolního prostředí. Zachycení CO 2 v horizontálním řezu melového prostoru je pobné jako při sávání klasickým nástavcem v kombinaci s příčným proudem, ale účinnost zachycení je o něco vyšší, hlavně pro zdroj č. 8 (viz Obr. D6).
Obr. D1. Obr. D2. Obr. D3. Obr. D4. Obr. D5. Obr. D6. Závěr V příspěvku uvedené CFD simulace jsou zaměřeny na porovnání vlivu proudění okolního prostředí na dva vybrané pracovní režimy štěrbinového sávacího nástavce. První režim povídá klasickému sacímu nástavci (pouze sávání) a druhý režim nástavci REEXS s poměrem průtokových hybností I=0,6. Z uvedených výsledků je patrno, jak se mění rychlost sávaného proudu při různých pracovních režimech sacího nástavce a jaký je vliv proudění okolního prostředí na zachycení vznikajících šklivin. Výsledky ukazují, že jak v klidném okolním prostředí, tak i při průvanu je zesílený sávací nástavec účinnější. Uvedené simulace byly provedeny v rámci řešení Doktorského grantového projektu GAČR 101/05/H018. Literatura [1] GOODFELLOW, H., TÄHTI, E.: Industrial Ventilation Design Guidebook. Academic Press, London, 2001. 1519 p. [2] Computational Dynamics Limited, 1999, STAR-CD VERSION 3.10A - USER GUIDE