بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله به بررسی اثرات تغییر زاویه و سرعت دستگاه پرده هوایی بر نفوذ آلاینده به فضای داخلی اتاق پرداخته شده است. برای این منظور 20 حالت مختلف سرعت و زاویه در نظر گرفته شده است. بر این اساس ترکیب چهار حالت سرعت جت دستگاه پرده هوایی 3m/s - ، 4m/s، 5m/s و - 6m/s با پنج حالت برای زاویه تخلیه جت 0 - ، 15، 15 -، 30، -30 درجه - مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاکی از آن است که عملکرد دستگاه پرده هوایی در نزدیکی زاویه -15 درجه 15 - درجه به سمت داخل اتاق - کمترین میزان نفوذ آلاینده را در پی خواهد داشت. همچنین نتایج نشان میدهد که با انتخاب زاویه مناسب برای جت خروجی دستگاه پرده هوایی میتوان میزان نفوذ آلاینده به فضای داخل را تا حدود 20 درصد کاهش داد.
مقدمه
دستگاه پرده هوایی ابزاری است که برای ایجاد مقاومت در برابر جریان هوا بین دو محیط بدون هیچ گونه مانع فیزیکی طراحی شده است. در واقع دستگاه پرده هوایی یک جت هوا باسرعت نسبتاً زیاد و خروجی زاویه دار است که میتواند تا حد زیادی مانع از تبادل هوا بین دو محیط مجاور شود. با نصب دستگاه پرده هوایی در بالای درب ورودی ساختمانها یا مکانهای عمومی که حجم تردد افراد و یا تجهیزات از آنها زیاد است، میتوان تا حد زیادی از هدر رفت انرژی و نیز ورود گرد و غبار و آلاینده به داخل ساختمان جلوگیری نمود. به طور کلی، دستگاه پرده هوایی در دو نوع گردشی و غیر گردشی تولید میشوند. [1] در نوع گردشی، هوا از یک طرف درب به داخل پاشیده و در طرف مقابل، جمع آوری میشود. این هوا دائما در گردش می باشد و پس از جمع آوری، هوا فیلتر شده و در بعضی موارد گرم می-شود و سپس به سمت جت تخلیه باز گردانده میشود. این نوع از دستگاههای پرده هوایی، هزینه اولیه و هزینه عملیاتی بالایی داشته و همچنین به دلیل فیلتر کردن هوا، هزینه تعمیر و نگهداری آنها نیز بالا میباشد. در سوی دیگر، دستگاههای پرده هوایی غیر گردشی دارای هزینهی اولیه و عملیاتی پایینتری هستند و به طورنسبتاً گستردهای مورد استفاده قرار میگیرد. دستگاه پرده هوایی برای اولین بار در سال 1904 در امریکای شمالی توسط تئوفیلوس ون کمل اختراع شد. اما تا نصب اولین پرده هوا و کاربرد آن 12 سال به طول انجامید. در اواخر دهه 1940 تا 1950 استفاده از این دستگاه به طور فزایندهای در اروپا محبوب شد
æ مورد استفاده قرار گرفت. با این وجود، اولین گزارشات موجود در زمینه انجام مطالعات آزمایشگاهی پیرامون عملکرد دستگاه پرده هوایی به دهه 60 میلادی بر میگردد .[2-5] در این تحقیقات، محققان به طراحی مدلهای ریاضی ساده برای مدلسازی اثرات دستگاه پرده هوایی و خصوصیات جت هوای آن بر انتقال حرارت میان دو محیط مجاور پرداختهاند. همچنین، تحقیقات هایس و استوکر[6]، نتایج و نکات مهمی را برای طراحی دستگاه پرده هوایی ارائه نمود. یکی از این نتایج بیان میکند که زاویه مناسب برای جت دستگاه پرده هوایی بین15 ˚ تا 20 ˚ متمایل به سمت گرم میباشد. همچنین بر اساس نتایج این تحقیق، حداقل سرعت لازم برای جت که بتواند پیوستگی پرده هوا را تا زمین حفظ کند، تابعی از زاویه تخلیه و نسبت ارتفاع در به عرض شیار جت میباشد . همچنین، در سال 2006، کاستا و همکاران [7] به بررسی اثرات ذخیره انرژی با استفاده از دستگاه پرده هوا پرداختند و نشان دادند که استفاده از دستگاه پرده هوایی با زاویه پاشش بین 15-20 درجه میتواند به میزان 70 درصد اثرات هوا بندی محیط را بهبود بخشد. اما در این تحقیق، فقط اثرات حرارتی دستگاه پرده هوایی مورد بررسی قرار گرفته است و عملکرد این دستگاه و تأثیر آن بر نفوذ آلاینده به داخل اتاق بررسی نشده است. بر این اساس، در تحقیق حاضر سعی خواهد شد تا تأثیر سرعت و زاویه پاشش جت بر عملکرد دستگاه پرده هوایی æ نفوذ آلایندهها به داخل ساختمان مورد تحلیل و بررسی قرار گیرد.
فضای نمونه
فضای نمونه مورد مطالعه، فضایی با طول 10، عرض 6 و ارتفاع 3 متر میباشد. در خط میانی - تقارن - فضای نمونه، یک دیوار حائل به همراه یک بازشو برای تردد افراد قرار دارد و در بالای آن، دستگاه پرده هوایی تعبیه شده است و از این طریق، فضای نمونه به دو بخش فضای داخلی و فضای خارجی تقسیم میشود. همچنین، در فضای خارجی یک دریچهی ورودی و یک دریچهی خروجی تعبیه شده است . به طوری که دریچهی ورودی در ارتفاع 2/6 متری از کف با ابعاد 0/3×0/3 مترمربع و دریچهی خروجی نیز در ارتفاع 0/4 متری از کف و با همان ابعاد دریچهی ورودی قرار گرفته است. هوا از دریچهی ورودی با سرعت 2m/s و با غلظت بالای آلاینده دیاکسید کربن، وارد فضای خارجی اتاق وارد میکند و هوا از دریچهی خروجی بر اساس شرایط فشار داخل تخلیه میشود. از سوی دیگر، دستگاه پرده هوایی دارای یک ورودی و یک خروجی است. به طوری که هوای ورودی را از اتاق دریافت میکند و با افزایش سرعت به صورت عمودی به سمت پایین پرتاب میکند. درشکل 1، نمای جانبی فضای نمونه نشان داده شده است.
در تحقیق حاضر به منظور مدلسازی جریان، انتقال حرارت و پخش آلایندهها در اتاق از حلگر عددی ایرپک استفاده شده است. این حلگر با رویکرد حجم محدود، معادلات پیوستگی، مومنتم و انرژی را به صورت جفت شده حل میکند و سپس برای به دست آوردن توزیع آلایندهها، معادله پخش گونه را به صورت مجزا مورد تحلیل قرار میدهد. همچنین، در تحقیق حاضر، استقلال حل از شبکه محاسباتی به دقت مورد بررسی قرار گرفت و حل با شبکهای به اندازه 867000 سلول محاسباتی، همگرا و مستقل از شبکه خواهد بود. همچنین، به منظور اعتبارسنجی نتایج حاصله از تحقیق حاضر، از نتایج کاستا و همکاران [6] استفاده شده است. مقایسه نتایج به دست آمده، نشان دهنده اختلافی در حدود 20 درصدی میباشد که تا حد قابل قبولی نشان از صحت کد محاسباتی دارد.
شکل. 1 نمای جانبی فضای نمونه
معادلات حاکم
در این تحقیق، معادلات حاکم شامل معادلات مربوط به جریان، انتقال حرارت و پخش گونه میباشد. معادلات حاکم بر جریان پایا و غیر قابل تراکم با فرض ثابت بودن خواص سیال شامل معادلات عبارتند از
نتایج
چنانچه پیش تر گفته شد، در این تحقیق سعی شده تا اثرات انتشار آلاینده به داخل ساختمان توسط دستگاه پرده هوایی به ازای سرعت و زوایای پاشش مختلف بررسی شود. بر این اساس، این تغییرات مجموعاً در 20 حالت برای چهار سرعت 3، 4، 5 و متر بر ثانیه و نیز برای پنج زاویه پاشش 0، 15، 15 -، 30، -30 درجه مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین، به منظور بررسی میزان کارآیی دستگاه پرده هوایی در جلوگیری از نفوذ آلایندهها، از شاخص بیبعد η استفاده شده است.
در شکل 2 و 3 نمودار تغییرات آلاینده برای ارتفاع 0/6 m و 1/1 m از کف اتاق در سرعتهای مختلف به ازای زاویه پاشش صفر درجه نشان داده شده است. بررسی مقدار η برای سرعتهای مختلف در زاویه صفر درجه نشان میدهد که با افزایش سرعت این مقدار به یک نزدیکتر میشود و کارآیی دستگاه پرده هوایی افزایش مییابد. بر این اساس، شاخص η برای سرعت پاشش 6 متر بر ثانیه، 0/48 و برای سرعت 3 متر بر ثانیه، 0/46 میباشد . این امر نشان میدهد که با دو برابر شدن سرعت، مقدار η، حدود 4 درصد افزایش مییابد.
طول اتاق - - m
شکل .3 تغییرات غلظت آلاینده نسبت به طول اتاق در ارتفاع 1/1 متری از کف اتاق و θ=0˚
در شکلهای 4 و 5 نیز همانطور که مشاهده میشود تغییرات آلاینده در راستای طول فضای نمونه برای 4 سرعت مختلف در زاویه 15 درجه - 15 درجه به بیرون اتاق - رسم شده است. همانند حالت قبل بررسی مقدار η برای سرعتهای مختلف نشان میدهد که این مقدار این شاخص با افزایش سرعت، افزایش پیدا میکند. به طوری که مقدار η برای سرعت 6m/s در ارتفاع 1/1 متری از کف، 0/46 و برای 3m/s، 0/45 میباشد. نسبت به حالت قبل در این زاویه مقدار η اختلاف کمتری در دو برابر شدن سرعت نشان میدهد. با بررسی نمودار برای فاصلهی 0/6 متری از کف نیز مقدار η تغییرات کمی داشته و برای سرعتهای مختلف مقدار η بسیار به هم نزدیک میباشد. مقدار η برای 6m/s و 3m/s تقریبا برابر 0/32 میباشد.
همچنین، در شکلهای 6 و7 نمودار تغییرات غلظت آلاینده در راستای طول فضای نمونه برای زاویه خروجی 30 درجه - به سمت بیرون - نشان داده شده است. نتایج حاصل از این نمودارها نشان میدهد که مقدار η در زاویه 30 درجه کمتر از بقیه حالات میباشد و این مساله نشان از نفوذ بیشتر آلاینده به داخل اتاق دارد. ضمن اینکه در این حالت با افزایش سرعت، میزان η کاهش اندکی پیدا میکند. مقدار η برای سرعت 6m/s برای ارتفاع 1/1 متری از کف برابر 0/26 و برای 3m/s برابر 0/21 میباشد. برای ارتفاع 0/6 متری از کف نیز نتایج با روندی مشابه به دست آمده است. به طوری که برای سرعت 6m/s مقدار η برابر 0/18 و برای 3m/s برابر 0/21 میباشد. همچنین، نمودار تغییرات آلاینده در راستای فضای نمونه برای زاویه خروجی -15 درجه 15 - درجه به داخل اتاق - به ازای سرعتهای مختلف در شکل 8 و 9 نشان داده شده است . نتایج نشان میدهد که مقدار شاخص کارآیی η برای سرعت 6m/s در ارتفاع 1/1 متری از کف برابر 0/67 و برای سرعت 3m/s برابر 0/63 میباشد. همانطور که مشاهده میشود با دو برابر شدن سرعت مقدار η، بیش از 6 درصد افزایش مییابد و برای ارتفاع 0/6 متری از کف نیز، همین میزان افزایش مشاهده میشود.
