Sledujte nás :
CFD výpočty umožňují precizně posoudit vlastnosti technických zařízení – od turbín až po prvky požární ochrany – a snížit tak náklady na jejich vývoj. Protože si na spolehlivosti výsledků zakládáme, pravidelně ověřujeme přesnost metodiky našich CFD výpočtů na validačních úlohách.
V této validační úloze náš tým ověřoval přesnost CFD výpočtů při posuzování vlastností zařízení pro přirozený odvod kouře a tepla, označovaného zkratkou NSHEV (Natural Smoke and Heat Exhaust Ventilator).
NHSEV je výrobek pro požární bezpečnost, který se používá k odvodu kouře a horkých plynů z budov v případě požáru, čímž pomáhá vytvářet příznivější podmínky pro evakuaci osob a zásah hasičů. Odvod tepla současně omezuje tepelné namáhání konstrukcí. Některé NHSEV mohou navíc sloužit nejen k požárnímu odvětrávání, ale i k běžnému větrání a odvodu přebytečného tepla. NSHEV se nejčastěji umisťují do střech průmyslových hal, skladů, atrií, obchodních objektů a dalších velkoobjemových prostor. Typické zařízení se skládá z pevného rámu nebo nástavce a jedné či více otevíracích klapek.
Jako validační benchmark pro tuto úlohu jsme použili referenční zkoušky určené ke kontrole a validaci aerodynamických zkušebních zařízení pro NHSEV stanovené v normě EN 12101-2:2017 [1] (konkrétně v příloze B, části B.4).
V rámci úlohy jsme modelovali vybrané konfigurace vytvořené na základě uvedené normy: referenční kruhový otvor a referenční jednoklapkový NSHEV. Ten jsme pro podrobnější posouzení simulovali ve 2 situacích: při bezvětří a s přítomností bočního větru.
Aby mohlo zařízení spolehlivě plnit svou funkci, nestačí jen, že se správně otevře, ale musí mít také dostatečnou aerodynamickou účinnost.
Co si pod tím představit? Geometrická plocha otvoru sama o sobě neurčuje, jaké množství vzduchu nebo kouře zařízení skutečně odvede. Proudění mohou omezovat klapky, rámy, sítě a další prvky. Další tlakové ztráty vznikají třeba při změnách směru proudění a účinnost zařízení může ovlivnit i boční vítr. Dobrá aerodynamická účinnost zde proto znamená nejen vysokou účinnost za bezvětří, ale také stabilní chování zařízení při různých směrech větru.
Aerodynamickou účinnost NSHEV jsme hodnotili pomocí bezrozměrného součinitele výtoku Cv, který zahrnuje vliv překážek a aerodynamických ztrát vznikajících v zařízení i vliv vnějšího bočního větru.
Součinitel výtoku se stanoví z hmotnostního průtoku, geometrické plochy otvoru, hustoty vzduchu a příslušného tlakového rozdílu:
Cv = ṁing / [Av · √(2 ρair Δpint)]
Kde:
Abychom ověřili účinnost zařízení za různých podmínek, spočítali jsme součinitel Cv0, který popisuje efektivitu bez působení bočního větru i součinitel Cvw, který zohledňuje působení bočního větru. Jaké hodnoty nás zajímaly? Aby bylo NSHEV účinné, mělo by nejen dosahovat co nejvyšších hodnot Cv0, ale i dostatečně vysoké minimální hodnoty Cvw. Zároveň by mělo mít zařízení co nejmenší citlivosti na směr větru.
Pro co nejpřesnější výsledky jsme validaci CFD metodiky rozdělili do kroků, které ověřují numerický model pro různé podmínky.
Nejprve jsme posuzovali proudění referenčním kruhovým otvorem za bezvětří. Na této úloze jsme nastavili a odladili výpočetní metodiku a ověřili její přesnost. Takto ověřenou metodiku jsme následně aplikovali na hodnocení hranatého NSHEV, nejprve za bezvětří a poté za působení bočního větru při různých úhlech natočení vůči směru větru.
První ověřovanou variantou byl referenční kruhový otvor, u kterého jsme pomocí CFD výpočtů stanovili Cv0 = 0,622. Vypočtená hodnota se nachází uvnitř normového intervalu 0,610 až 0,630, což potvrzuje vysokou přesnost CFD simulace. Jako druhý jsme hodnotili referenční jednoklapkový NSHEV, který jsme – stejně jako v přechozím případě – simulovali bez působení bočního větru. Z CFD simulace zde vyplynula hodnota Cv0 = 0,697, kterou jsme srovnávali s hodnotou Cv0 = 0,695 z referenční experimentální studie [2]. I v tomto případě byly tedy výsledky CFD výpočtů velmi přesné, což dokazuje, že využitý numerický model správně reprodukuje danou situaci.
Stanovení součinitele Cvw je náročnější než výpočet bez bočního větru. Výsledek totiž závisí nejen na geometrii NSHEV, ale také na rychlostním profilu, turbulenci, mezní vrstvě a rozměrech zkušebního prostoru. Před vyhodnocením zařízení jsme proto ověřovali také správnost numerického modelu aerodynamického tunelu.
Jakmile jsme potvrdili, že proudové podmínky numerického tunelu odpovídají požadavkům pro hodnocení referenčního NSHEV, vložili jsme do tohoto modelu referenční jednoklapkový NSHEV. Zařízení bylo poté simulovaně vystaveno bočnímu větru o rychlosti 10 m/s a postupně natočeno vůči směru větru v rozsahu od 0° do 90° (po 15° krocích). Pro každý úhel byl stanoven součinitel výtoku Cvw.
Vypočtené hodnoty jsme následně porovnali s kritérii normy EN 12101-2. Ukázalo se, že výsledky ze simulace jsou s hodnotami z normy v souladu, a to ve všech posuzovaných úhlech. Navíc se potvrdil také očekávaný průběh součinitele výtoku: s rostoucím úhlem natočení NSHEV nejprve docházelo k poklesu účinnosti, nejnižší hodnoty byly dosaženy v oblasti natočení přibližně 30° až 45° a při dalším natočení součinitel výtoku opět rostl. Tyto výsledky tedy potvrdily, že je CFD simulace spolehlivým nástrojem pro hodnocení citlivosti NSHEV na směr větru.
Výsledky CFD simulace dosáhly velmi dobré shody s normovými a experimentálními referenčními hodnotami, což potvrzuje, že zvolená CFD metodika je schopna reprodukovat hlavní fyzikální jevy rozhodující o aerodynamické účinnosti NSHEV. Numerický model lze proto využít k detailnímu vyhodnocení stávající konstrukce a k porovnávání návrhových variant daného typu zařízení. Numerické výpočty sice nenahrazují normové zkoušky požadované pro stanovení a deklarování vlastností výrobku, mohou však významně zefektivnit jeho vývoj, snížit počet potřebných prototypů a zvýšit pravděpodobnost, že výsledná konstrukce při zkoušce dosáhne požadovaných parametrů.
V případě NSHEV tak můžeme s pomocí CFD simulací například zobrazit rychlostní a tlakové pole, identifikovat místa s vysokými tlakovými ztrátami a konstrukční prvky, které způsobují neefektivitu. Tyto nedostatky pak můžeme na základě výsledků simulace snáze odladit – například úpravou tvaru konstrukce, změnou úhlu otevření klapek, změnou rozmístění zařízení na střeše budovy apod.
CFD vám umožní posoudit navrhované varianty vašeho výrobku ještě před výrobou prototypu. Díky tomu se můžete při experimentálních zkouškách a fyzickém testování soustředit na ty nejperspektivnější návrhy.
Zaujala vás úloha? Nechte si zpracovat CFD simulaci na míru pro váš projekt.
[1] CEN. EN 12101-2:2017, Smoke and heat control systems - Part 2: Natural smoke and heat exhaust ventilators. Brussels: European Committee for Standardization, 2017.
[2] SANQUER, S. Full size, model and numerical evaluations of the smoke ventilator aerodynamic efficiency: development and qualification. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 2002, roč. 90, č. 4-5, s. 491-502. ISSN 0167-6105.
Dostupné z DOI: 10.1016/S0167-6105(01)00207-0
Zanechte nám zprávu a naši odborníci s vámi rádi projednají detaily.