بخشی از مقاله
چکیده
در تحقیق حاضر، اثرات تغییر زاویه جت هواي خروجی از دهانه دستگاه پرده هوایی بر جداسازي ایرودینامیکی و حرارتی دو محیط مجاور غیر هم فشار مورد بررسی قرار گرفته است. تا کنون گزارشات زیادي مبنی بر تأثیرات چشمگیر زاویه پاشش جت بر عملکرد دستگاه پرده هوایی نصب شده بین دو محیط هم فشار منتشر شده است. این در حالی است که غیر هم فشار بودن محیطهاي مجاور میتواند زاویه پاشش مناسب براي جت هوا را تغییر دهد.
در تحقیق حاضر به منظور بررسی این امر، از مدلسازي جریان و انتقال حرارت بین دو محیط غیر هم فشار که به کمک دستگاه پرده هوایی از هم جدا شده، توسط حلگر عددي اپن فوم استفاده شده است. نتایج نشان میدهد که زاویه پاشش جت به طور چشمگیري عملکرد حرارتی پرده هوایی را متأثر میکند. به طوري که گرادیان دماي میان محیط داخل و خارج به شدت به زاویه پاشش جت وابسته است. ب ر این اساس، اختلاف دماي میان محیط داخل و خارج به ازاي زاویه پاشش -15 درجه، حدود 2 کلوین از حالتی که زاویه پاشش +15 باشد، بیشتر است. بنابراین، کارآیی دستگاه پرده هوایی در حالتی که زاویه پاشش جت متمایل به سمت محیط خارج باشد، به مراتب بیشتر خواهد بود.
مقدمه
بخش قابل توجهی از اتلافات حرارتی ساختمان از طریق بار ناشی از نفوذ هوا از بازشوها به ویژه درب ورودي ساختمان اتفاق میافتد. این در حالی است که در ساختمانهایی که تردد افراد در آنهانسبتاً زیاد است، هوابندي دربهاي ورودي اهمیت مضاعفی پیدا میکند. یکی از راههاي هوابندي ایرودینامیکی چنین فضاهایی، استفاده از دستگاه پرده هوایی میباشد.
دستگاههاي پرده هوایی، دستگاههایی هستند که بالاي دربهاي ورودي ساختمانهاي پر رفت آمد به منظور کاهش اتلاف حرارت و کاهش انتشار آلودگی نصب میشوند. به طور کلی یک دستگاه پرده هوایی از یک یا دو دمنده افقی یا عمودي تشکیل میشود. اساس کار این دستگاهها به این صورت است که هوا را از یک مجراي بزرگ - ورودي دستگاه - کشیده و از یک مجراي بسیار کوچکتر - خروجی دستگاه - به صورت یک جت با سرعت زیاد به محیط تخلیه میشود. ایده ساخت دستگاه پرده هوایی براي اولین بار در سال 1904، توسط کمل 1 در امریکاي شمالی به ثبت رسید و در سال 1956، شرکت مینیویل 2 دستگاه پرده هوایی را به عنوان یک محصول تجاري به اروپا برد.
از آن زمان تا به امروز، اهمیت کاهش مصرف انرژي و نیز توجه روزافزون به مقوله آسایش حرارتی و بهبود کیفیت هواي داخل، باعث رشد سریع در استفاده از دستگاههاي پرده هوایی شده است. این دستگاهها از نظر نوع وزش هوا در سه نوع افقی، عمودي و چرخان موجود میباشند. دمندههاي عمودي سرعت جت بالایی دارند و معمولاً درفروشگاههاي بزرگ نصب می شوند. این در حالی است کهدمندهاي افقی سرعت جت پایینی دارند و معمولاً براي عبور و مرور افراد طراحی میشوند.
با توجه به اهمیت موضوع، محققان بسیار زیادي به پژوهش در زمینه عملکرد دستگاههاي پرده هوایی پرداختهاند. سیرن [2- 1]3 درسال2002 یک حل تحلیلی از جریان جت سیال با استفاده از یک مدل ساده دو بعدي انجام داد. این تحقیق منجر به تعیین پارمترهاي مهم در طراحی یک پرده هوایی شد. در سال 2006، کاستا 4و همکاران [3] یک حل عددي بر روي یک مدل دو بعدي انجام دادند.
ایشان تاثیر پارامترهاي هندسی و دینامیکی دستگاههاي پرده هوایی را بر کاهش مصرف انرژي و نیز کارآیی دستگاه پرده هوایی بررسی کردند. تحقیق ایشان در نهایت منجر به تعیین مقدار بهینه فاکتور نسبت ارتفاع درب به عرض شکاف عبور هوا - خروجی دستگاه پرده هوایی - و زاویه بهینه براي کاهش مصرف انرژي شد.
نتئو5 و همکاران[4] در سال 2006 با استفاده از یک تحقیق آزمایشگاهی و با استفاده از یک دماسنج مادون قرمز در حالت ناپایا به مطالعه عملکرد یک دستگاه پرده هوایی پرداختند. ایشان در نهایت به پارامترهاي ارتفاع درب، اختلاف دماي دو محیط، سرعت جت و زاویه پاشش اولیه جت براي رسیدن به کاهش مصرف انرژي اشاره کردند.
کاردکار[5]6 در سال 2009 با استفاده از یک حل عددي محفظه سه بعدي که دستگاه پرده هوایی در آن قرار داشت، توزیع سرعت داخل اتاق را بدست آورد.
گونکالوز 7و همکاران [6] در سال 2012 به حل عددي یک فضاي سه بعدي همراه با پرده هوایی پرداختند و نتایج خود را با نتایج مایشگاهی مقایسه نمودند که نهایتاً ایشان در تحقیق خود، زاویه تخلیه بهینه براي جت سیال را تعیین نمودند.
اگر چه تا کنون تحقیقات زیادي در زمینه بررسی عملکرد دستگاه پرده هوایی صورت پذیرفته است، ولی تا کنون مطالعه جامعی در زمینه تأثیر فشار بر زاویه مناسب براي خروجی جت گزارش نشده است. این در حالی است که بسیاري از سیستمهاي تهویه مطبوع با ایجاد فشار مثبت در داخل ساخت مان موجب تغییر الگوي پاشش جت پرده هوایی میشوند و بایستی زاویه مناسب پاشش براي این حالت نیز مورد بررسی قرار گیرد. بر این اساس، در تحقیق حاضر، اثرات تغییر زاویه جت هواي خروجی از دهانه دستگاه پرده هوایی بر جداسازي ایرودینامیکی و حرارتی دو محیط مجاور غیر هم فشار مورد بررسی قرار گرفته است.
فضاي نمونه
همانطور که در شکل 1 مش اهده میشود دستگاه پرده هوایی شامل یک مجراي ورودي و یک مجراي خروجی با سطح مقطع کوچکتر میباشد . هوا از مجرا ي ورودي مکش شده و از مجراي خروجی با سرعتنسبتاً زیاد و زاویه مناسب به بیرون دستگاه پرتاب میشود. فضاي نمونه مورد مطالعه مطابق شکل 2 شامل اتاقی به ابعاد 12×6×3/27 m متر میباشد. این اتاق، به وسیله یک پانل جداساز که در روي سقف نصب میشود به طور مساوي به دو قسمت تقسیم شده است. به این ترتیب، دو فضاي مجزا و مساوي ایجاد میشود. دستگاه پرده هوایی، بر روي این پانل جداساز طوري نصب شده است که فاصله جت خروجی دستگاه تا کف زمین 2 m باشد. همانطور که در شکل 2 مشاهده میشود، علاوه بر دو مجراي ورودي و خروجی دستگاه پرده هوایی، سه مجراي دیگر نیز در فضاي نمونه وجود دارند که عبارتند از:
• مجراي 1 که از آن، هواي تازه با دماي 25C به فضاي نمونه وارد میشود.
• مجراي 2 از این مجرا هواي گرم با دماي 35C به فضاي نمونه وارد میشود.
• مجراي 3 مربوط به خروجی هوا از فضاي نمونه میباشد.
شکل :1 طرحواره دستگاه پرده هوایی
شکل :2 شماتیک فضاي نمونه، ورودي ها و خروجی ها
شکل 3 به طور دقی ق جا نمایی دستگاه را نشان میدهد. با توجه به اینکه مبدا مختصات در گوشه اتاق سمت چپ قرار رفته است دیوار جدا ساز در فاصله 5/94 m از مبدا و نیز لبه شکاف خروجی دستگاه پرده هواي در فاصله 6 m از همان مبدا قرار گرفته است. - در شکل 3 ابعاد به سانتیمتر می باشند. -
شکل :3 جانمایی دستگاه در فضاي نمونه
معادلات حاکم
در این تحقیق، معاد لات حاکم شامل معادلات مربوط به پیوستگی، بقاي تکانه خطی، معادلات آشفتگی k و معادله انرژي میباشد. معادلات حاکم بر جریان پایا و غیر قابل تراکم با فرض ثابت بودن خواص سیال عبارتند از:
معادله پیوستگی
دستگاه معادلات بسته شوند نیاز به یک سري معادلات کمکی براي تعیین پارامترهاي مربوط به آشفتگی جریان احساس میشود. در این تحقیق از مدل آشفتگی دو معادلهاي K استاندارد استفاده شده است. بنابراین معادلات زیر باید به صورت کاملا جفت شده به معادلات قبلی حل شوند.
روش عددي و شرایط مرزي
در این مطالعه، به منظور شبیه سازي عددي از حلگر منبع باز اوپن فوم استفاده شده است. این حلگر از روش عددي حجم محدود براي حل دستگاههاي معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی بهره برده و معادلات پیوستگی، بقاي تکانه خطی، انرژي و معادلات مربوط به جریانهاي آشفته را به صورت جفت شده حل میکند.
همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است ، از مجراي 1، هوا با دماي 298/15 K ، با سرعت 0/1 متر بر ثانیه و با فشار ثابت 20 Pa وارد وارد فضاي نمونه میشود. از مجراي 2 نیز هوا با سرعت 0/1 متر بر ثانیه و با دماي 308/15 K وارد فضاي نمونه می شود در این ورودي نیز هوا با فشار ثابت 5Pa وارد فضاي نمونه میشود. همچنین از طریق مجراي خروجی 3، هواي اضافی از فضاي نمونه خارج می شود. دماي دیوار عمودي اتاق سمت راست ثابت و برابر298/15K و دماي دیوار عمودي اتاق سمت چپ ثابت و برابر 308/15 K است. ضمن اینکه سقف و کف اتاقها عایق فرض شدهاند. همچنین، هوا از محل خروجی دستگاه پرده هوایی با سرعت 7 متر بر ثانیه وارد فضا میشود. در این تحقیق، سعی میشود تا به ازاي 3 زاویه مختلف براي پاشش جت - زاویههاي جت صفر، -15 و15 درجه نسبت به خط عمود - ، عملکرد دستگاه پرده هوایی در جداسازي ایرودینامیکی دو محیط غیر هم فشار مورد بررسی قرار گیرد.
اعتبار سنجی حل عددي
در این تحقیق براي اعتبار سنجی نتایج حل، از مقایسه نتایج حلگر عددي اپن فوم با نتایج کاستا و همکاران[3] استفاده شده است. براي این منظور، هندسه یک فضاي نمونهکاملاً مشابه با تحقیق حاضر ولی بدون وجود دریچه ورودي و خروجی هوا مورد بررسی قرار میگیرد. از طرفی براي مقایسه نتایج حل با نتایج حل کاستا و همکاران[3] تابع جریان با استفاده از رابطه 6، بدون بعد شده است.
در شکل هاي 4 و 5 مقایسه میان نتایج حلگر عددي اپن فوم و نتایج کاستا و همکاران[3] نشان داده شده است. همانطور که مشاهده میشود، نتایج تحقیق حاضر همخوانی مناسبی را با نتایج کاستا و همکاران[3] نشان میدهد.
شکل :4 تابع جریان در فضاي نمونه با سرعت جت 3 متر بر ثانیه و زاویه پاشش0 درجه نسبت به خط عمود؛
شکل :5 تابع جریان در فضاي نمونه با سرعت جت 6/8 متر بر ثانیه و زاویه پاشش0 درجه نسبت به خط عمود؛
