NUMERICKÝ VÝPOČET RADIÁLNÍHO VENTILÁTORU V KLIMATIZAČNÍ JEDNOTCE Autoři: Ing. Petr ŠVARC, Technická univerzita v Liberci,
[email protected] Ing. Václav DVOŘÁK, Ph.D., Technická univerzita v Liberci,
[email protected]
Anotace: Tato práce se zabývá numerickým modelováním proudění ideálního plynu v radiálním ventilátoru. Modelován je ventilátor používaný v sestavných klimatizačních jednotkách firmy Alteko. Součástí práce je porovnání naměřené a vypočítané charakteristiky ventilátoru a porovnání rychlostních polí na výstupu z tlumiče umístěného za ventilátorem.
Annotation: This study deals with numerical calculation of ideal gas flow in radial ventilator. A ventilator used in Alteko air conditioning units is modeled. Comparison of calculated and measured characteristics and velocity profiles are made.
1. Úvod Ventilátory jsou nedílnou součástí klimatizačních a vzduchotechnických zařízení. Mohou být různých konstrukcí, ale velmi často se používají radiální ventilátory. Tato práce se zabývá numerickým modelováním proudění ideálního plynu v radiálním ventilátoru za použití reálné geometrie stroje. Modelován byl ventilátor používaný v klimatizačních jednotkách firmy Alteko. Téma článku navazuje na práci [1], v níž byla prováděna měření na sestavné klimatizační jednotce a rovněž celá klimatizační jednotka byla modelována numericky, přičemž vlastní ventilátory byly nahrazeny okrajovými podmínkami pressure inlet a pressure outlet. Součástí zmiňované práce bylo i měření charakteristiky ventilátorů a rychlostních polí na výstupu z ventilátorového dílu. Při těchto měřeních byly zjištěny rozdíly mezi naměřenou charakteristikou a charakteristikou udávanou výrobcem. Při měření bylo rovněž zaznamenáno kmitání celého proudového pole způsobené zřejmě nevhodně tvarovanými vstupy a výstupy do ventilátorového dílu a samotného oběžného kola. Cílem této práce je numerická vizualizace proudění v oběžném kole a v celém ventilátorovém díle, aby bylo možné přistoupit k úpravě stávající klimatizační tratě za účelem odstranění nežádoucích nestacionarit.
2. Metody 2.1. Geometrie modelu a výpočtová síť Geometrie modelu vychází ze skutečných rozměrů ventilátoru TERNO-S 250K používaných firmou Alteko v sestavných klimatizačních jednotkách [2]. Jedná se o radiální ventilátor s dvaačtyřiceti kruhovými dopředu zahnutými lopatkami. K ventilátoru je na straně sání připojen volný díl tzv. mezikus. Na straně výtlaku ventilátoru je tlumič, který by měl snižovat hlukové emise výstupu do okolí. Uspořádání modelu je patrné z obrázku 1 a odpovídá ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -1-
uspořádání dílů klimatizační jednotky, při kterém byla měřena charakteristika ventilátorového dílu. Naměřená charakteristika slouží ke kontrole numerického výpočtu.
Obrázek 1: Model radiálního ventilátoru s připojenými potrubními díly.
Geometrie ventilátoru, okolních potrubních dílů i výpočetní síť byly vytvořeny v programu GAMBIT. Vzhledem k hardwarovým možnostem výpočtu numerického modelu byla snaha omezit počet buněk výpočtové sítě do půl milionu elementů. Výsledná síť obsahuje 426 328 buněk. Na obrázku 2 je náhled na vytvořený model s výpočetní sítí a okrajovými podmínkami.
Obrázek 2: Model radiálního ventilátoru s výpočetní sítí vytvořenou v programu GAMBIT.
Okrajové podmínky pressure inlet a pressure outlet byly zadány na vstup a výstup modelu. Výstupní okrajová podmínka byla 0 Pa, tlak na výstupu tak odpovídal referenčnímu tlaku 98 kPa. Vstupní okrajová podmínka byla měněna tak, aby bylo dosaženo poklesu tlaku na sání ventilátoru a jeho hodnota odpovídala hodnotě podtlaku naměřené při experimentu a odečtené z dokumentace dodávané výrobcem. Na obrázku 3 je detail výpočtové sítě v okolí lopatek oběžného kola ventilátoru se zadanými okrajovými podmínkami.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -2-
Obrázek 3: Detail výpočtové sítě v okolí lopatek oběžného kola.
2.2. Nastavení parametrů proudění v programu FLUENT Použitým proudícím médiem byl vzduch uvažovaný jako ideální plyn, tj. dokonale stlačitelný s konstantními měrnými tepelnými kapacitami a viskozitou, při teplotě 20°C a referenčním tlaku 98 kPa. Fyzikální parametry vzduchu jsou uvedeny v tabulce 1. Density Cp Thermal Conductivity Viscosity Molecular Weight
constant constant constant constant constant
1,164 1006,43 0,0242 1,79E-05 28,966
kg/m3 j/kg-k w/m-k kg/m-s kg/kgmol
Tabulka 1: Fyzikální parametry vzduchu jako ideálního plynu.
Pro simulování chování viskózního prostředí byl použit stacionární dvou-rovnicový turbulentní implicitní model Realizable k-ε, s vylepšeným stěnovým modelováním. Přehled použitých okrajových podmínek a jejich hodnoty jsou uvedeny v tabulce 2. Otáčení oběžného kola bylo simulováno pomocí funkce moving reference frame. Použit byl řešič pressure based, upwind druhého řádu [3]. Druh podmínky
Hodnota
Pressure inlet
Hodnota měněna v rozmezí 0-200 Pa podtlaku
Pressure outlet
Zadán nulový protitlak
Rotation velocity
150,7 rad/s
Tabulka 2: Hodnoty okrajových podmínek.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -3-
2.3. Výsledky numerického výpočtu Z vektorového pole na obrázcích 4 a 5 je patrný směr rotace oběžného kola, velikost i směr rychlosti v daných řezech. Je zde dobře patrné, jakým směrem se tekutina pohybuje a jak se chová v rozšiřujícím se kanále v okolí oběžného kola a na výstupu z ventilátoru. Je patrné, že proudové pole na vstupu do oběžného kola je deformované, což je způsobeno přívodem vzduchu z jednoho směru příliš úzkým přívodním kanálem.
Obrázek 4: Vektorové pole rychlosti v okolí oběžného kola ventilátoru v horizontální rovině.
Obrázek 5: Vektorové pole rychlosti v okolí oběžného kola ventilátoru ve vertikální rovině.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -4-
Snižováním statického tlaku na vstupní podmínce “pressure inlet“ se nastavovala hodnota tlakové diference na ventilátoru. Dané hodnotě diferenčního tlaku odpovídal příslušný hmotnostní tok a dopočítán tok objemový. Výsledky v porovnání s měřenou charakteristikou a charakteristikou udávanou výrobcem jsou uvedeny v grafu 1. Charakteristika ventilátoru TERNO-S 250K Dokumentace ALTEKO
Měřeno
Fluent
Tlaková diference
pc [Pa]
400
300
200
100
0 0
0,1
0,2 0,3 • 0,4 3 Objemový průtok V [m /s]
0,5
0,6
Graf 1: Porovnání charakteristik ventilátoru.
Na první pohled je zřejmé, že se výsledky výpočtu od ostatních hodnot značně rozcházejí. Tyto rozdíly ukazují, že zvolený výpočtový model není nejvhodnější, případně, že je chyba v síti modelu, patrně v oblasti oběžného kola.
3. Rychlostní pole na výstupu Rychlostní pole bylo získáno měřením dynamického tlaku. Pro tento případ posloužilo zařízení na obrázku 6, skládající se z pěti samostatných Pitotových trubic, uchycených v kabelových vývodkách tak, aby bylo možné s trubicemi traverzovat ve vertikálním, ale i horizontálním směru. Zařízení umožňovalo rovněž měřit teplotní pole pomocí připojených termočlánkových čidel. Získané hodnoty rychlostí byly převedeny do jednoduchých grafů, jak je patrné na ukázce jednoho z nich (graf 2) s nejvyšším objemovým průtokem a maximálním dynamickým tlakem 56 Pa. Ze získaného rozložení rychlostí a příslušných částí průtočného průřezu byl vypočítán objemový tok, který v tomto případě odpovídá hodnotě 0,53 m3/s. Je vidět, že pro měření se nachází oblasti maximálních rychlostí v pravé dolní části průtočného průřezu, ačkoliv je výstup z ventilátoru z tohoto pohledu vlevo nahoře. Ve skutečnosti tak dochází k přimykání proudu k pravé straně tlumiče, zřejmě vlivem směru proudu na výstupu z oběžného kola ventilátoru.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -5-
Obrázek 6: Zařízení s Pitotovými trubicemi, určené k měření teplot, celkových a statických tlaků v potrubí klimatizace.
Graf 2: Naměřené rychlostní pole na výstupu z ventilátorového dílu za tlumičem.
Pro srovnání je na obrázku 7 rychlostní pole na výstupu z tlumiče získané numerickým výpočtem v programu FLUENT v režimu diferenčního tlaku 50 Pa na ventilátoru, kdy je velikost objemového toku 0,44 m3/s. Z obrázku je patrné, že maximální rychlost je na rozdíl od měření v levé části průtočného průřezu. Je zde rovněž zřejmé, že mezní vrstvy nejsou tak silné, jak vyplývá z měření pomocí zařízení na obrázku 6, které nedovoluje měřit bezprostředně u stěny, kde je tak uvažován konstantní gradient rychlosti.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -6-
Obrázek 7: Rychlostní pole na výstupu z ventilátoru za tlumičem.
4. ZÁVĚR Byla vytvořena geometrie modelu ventilátoru s výpočtovou sítí, na níž byla provedena numerická simulace proudění ideálního viskózního plynu. Výsledky simulace byly konfrontovány se skutečným měřením a s daty z dokumentace výrobce. Tyto výsledky se od sebe dosti rozcházejí, což je způsobeno buď nevhodným nastavením numerického řešení, nebo chybou, vyskytující se v síti modelu, zřejmě v okolí oběžného kola. Získané výsledky jsou přesto velmi cenné, neboť odhalují nedokonalosti numerického modelu a nutí k jeho dalšímu vylepšení. Získaná experimentální data tak umožní volit správnější výpočetní aparát a zdokonalit model tak, aby bylo možné úlohu řešit s menší chybou a později i nestacionárně. Poté bude možné přistoupit k návrhu úprav stávající geometrie jednotlivých dílů klimatizace, tak aby se daly odstranit nežádoucí nestacionarity v proudovém poli způsobené zřejmě nevhodně tvarovanými vstupy a výstupy do ventilátorového dílu a samotného oběžného kola. Poděkování Tento projekt byl realizován za finanční podpory ze státních prostředků z projektu MSM 4674788501.
LITERATURA [1] [2] [3]
Švarc P.: Sestavná klimatizační jednotka s rekuperací, diplomová práce, vedoucí Dvořák, V., TU v Liberci 2008. Stavebnicový větrací a klimatizační systém. Dokumentace firmy Alteko vzduchotechnika.. Fluent 6.3.26 Dokumentation, Fluent Inc., 2006.
ANSYS konference 2008 16. ANSYS FEM Users‘ Meeting & 14. ANSYS CFD Users’ Meeting Luhačovice 5. - 7. listopadu 2008 -7-
