Raumluftströmung & Behaglichkeit

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1 Raumluftströmung & Behaglichkeit : Um sicherzustellen, dass die numerische Strömungssimulation richtige Ergebnisse liefert, ist eine Kalibrierung der Simulation mit Messergebnissen unumgänglich. Zudem können die Auswirkungen von Modellvereinfachungen genauer analysiert werden. Klimakabine: Abbildung 1: Messfelder in der Klimakabine Eine Gegenüberstellung von Simulationsund Messergebnissen ist nur unter identisch erfüllten Randbedingungen sinnvoll. Die Messungen werden daher in einer wärmegedämmten Klimakabine durch-geführt. Die Abtastung der Messfelder erfolgt mit Hilfe einer automatisierten Traversiereinrichtung. Messergebnis: Das Messergebnis ist als Konturlot der Geschwindigkeit in Abb. 2 dargestellt. Deutlich ist das Anliegen des Freistrahls an die Decke erkennbar (sog. Coandaeffekt). Messungen quer zur Strömungsrichtung weisen auf eine unsymmetrische Strömungsausbildung hin. Strömungssimulation: Es werden sehr gute Übereinstimmungen zwischen Messung und Simulation erzielt. Lediglich die Freistrahlkrümmung wird zu stark vorausberechnet. Demnach können Fallstudien basierend auf der numerischen Strömungssimulation durchgeführt werden. Messtechnische Untersuchungen können auf ein Mindestmaß reduziert werden. Abbildung 2: Konturlot Messung und Strömungssimulation (verwendeter CFD-Code FLUENT)

2 Reinraumrechnik Hohe Ansrüche an Herstellungsverfahren sowie veränderte Fertigungsbedingungen sind die Grundlage für die immer breitere Anwendung der Reinraumtechnik. Dabei üben diese reinen Arbeitszonen ein Schutzfunktion aus, wobei je nach Anforderung des Prozesses zwischen Personen- und/oder Produktschutz unterschieden wird. Abb. 1: CFD-Modell eines Reinraumes Reinraumtechnische Schutzkonzete Sobald Störungen oder Komlikationen durch luftgetragene Partikel oder Keime verursacht werden, sind Maßnahmen zur Verbesserung der Lüftungstechnik erforderlich. Je nach Reinraumklasse werden Luftwechselraten von bis zu 500 Luftwechsel ro Stunde festgelegt. Die filtrierte Luft baut dabei eine über die Raumfläche sich erstreckende gleichmäßige Luftströmung auf, die den Raum kolbenartig durchströmt (turbulenzarme Verdrängungsströmung). Abb. 2: Darstellung der Absolutgeschwindigkeit Abb. 3: Particle-Tracks zeigen die Rezirkulationsgebiete CFD als Auslegungstool Da die turbulenzarme Verdrängungsströmung horizontal oder vertikal erfolgen kann und beide Varianten Vor- bzw. Nachteile haben, ist es in der Planungshase hilfreich, mit Hilfe der Simulationstechnik nachfolgende Punkte genauer zu betrachten: turbulent Austauschbewegungen Wirbelschleen hinter bewegten Körern Umströmung von Störstellen (luftundurchlässig) Strömungsvorgänge an Raumumschließungsflächen Konvektionsströmungen an Wärmequellen Einflüsse der Abluftentnahme Dadurch kann schon in der Planungshase von Oerationsräumen Produktionsräumen Reinraumanlagen für die Pharmaindustrie eine Unterscheidung hinsichtlich Flexibilität und Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Konzetionen erfolgen.

3 Rauchausbreitung in Räumen Brandsimulationen sielen im vorbeugenden Brandschutz eine wichtige Rolle für die Überrüfung der festgelegten Schutzziele sowie für die Validierung und Darstellung von Brandschutzkonzeten. Durch CFD kann das reale Verhalten von Bränden sowie die damit zusammenhängende Rauchausbreitung realistisch rognostiziert werden. Somit kann frühzeitig Einfluss auf die gelanten Rettungs- und Sicherheitsmaßnahmen genommen werden. Abb. 1: Modellraum Rauch die tödliche Gefahr In der Regel sterben die meisten Brandofer nicht durch die Flammen, sondern an den Folgen einer Rauchgasvergiftung. Da sich Menschen kaum weiter als 10 Meter durch dichten Rauch bewegen können, ist der Einsatz von richtig dimensionierten Rauch- und Wärmeabzugsanlagen lebensrettend. Flüchtende Personen können sich durch eigene Kraft aus dem Gebäude retten und das Rettungsersonal hat länger die Möglichkeit, das Gebäude zu evakuieren. Daher haben Rauch- und Wärmeabzugsanlagen eine zentrale Bedeutung innerhalb des vorbeugenden Brandschutzes. Möglichkeiten Abb. 2: Rauchausbreitung zum Zeitunkt t1 Die Festlegung des Bemessungsbrandes (Design- Fire) ist für den Entwurf von Anlagen für die Rauchableitung von rimärer Bedeutung. Es lassen sich grundsätzlich folgenden Fälle unterscheiden: Konstante Brandleistungs-Kurven Zeitlich abhängige Brandleistungs-Kurven Diese so genannten Design-Fires beinhalten Angaben zur maximalen Brandleistung, Brandausbreitung, Brandfläche oder verwandte Parameter. Abb. 3: Rauchausbreitung zum Zeitunkt t2 Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor ist die Nutzungsart eines Gebäudes. In Abhängigkeit von der Nutzung des Brandraumes ergeben sich verschiedene Brandbelastungen Brandlastverteilungen und Unterschiedliche Brandausbreitungsgeschwindigkeiten.

4 T FHlus Identifikation der Strömungsarameter in Verteilkanälen mittels CFD Moderne CFD Programme (Comutational Fluid Dynamics) bieten die Möglichkeit die realen Modellgeometrien nahezu exakt nachzubilden. Die damit verbundene Anforderung an das Griddesign ist mit hohem Aufwand für den CFD-Ingenieur und der Comuterhardware verbunden. Die Entwicklung von Regeln zur Reduktion des Aufwandes bei gleichzeitiger Forderung möglichst genauer Simulationsergebnisse wurden daher am Beisiel eines Zuluftkanals erarbeitet. orifice late rectifier flow measurement air suly duct flow orifice measurement late Methodik moisture A/D-converter Abb. 1: Messdesign und Messaufbau abs sensor Mittels umfangreichen Messungen wurden die wesentlichen strömungstechnischen Parametern (Ausflusszahl, Austrittsimulskoeffizient und Druckverlustkoeffizient) identifiziert. Durch Vergleichsrechnungen auf geometrisch exakt nachgebildete Rechengitter wurden geeignete hysikalische Modelle zur Berechnung der Strömung in Zuluftkanälen bestimmt. Eine darauf folgende Sensibilitätsanalyse hinsichtlich der geometrischen Ausbildung der Austrittsöffnungen wurde durchgeführt. Ergebnis Abb. 2: exate CFD-Nachbildung des Exeriments Abb. 3: Messung der Ausströmsituation mittels PIV Die Bestimmung der Ausflusszahl, des Austrittsimulskoeffizienten und des Druckverlustkoeffizienten ist mit Hilfe der CFD- Simulation hinreichend genau möglich. Darüber hinaus haben Messungen und CFD- Simulationen gezeigt, dass die Ausströmung der Luft aus dem Kanal durch eine Senke charakterisiert werden kann. Aus diesem Grund, ist - im Gegensatz zur Ausflusszahl die Ermittlung des Druckverlustkoeffizienten im Verteilkanal keine exakte geometrische Nachbildung der Ausflussöffnung notwendig. Bei der Erstellung des Griddesigns können somit wesentliche Vereinfachungen getroffen werden.

5 Abscheidegrad eines Zyklonfilters Im Zuge des FHlus Projektes sollen mit Hilfe der Simulationstechnik Ein- und Mehrhasenmischungsvorgänge untersucht werden. Am Beisiel eines Zyklonfilters der zur möglichst vollständigen Trennung diserser Feststoffe aus einer Gasströmung verwendet wird sollen nun die Stärken und Schwächen der Simulationstechnik erarbeitet werden. Die Simulationsergebnisse sollen zur Validierung von fremden Messergebnissen, die in der Literatur angeführt sind, dienen. Abb. 1: Darstellung der x-, y- und z- Geschwindigkeitskomonenten Abb. 2: Darstellung der Path-Lines Funktionsweise Das zu entstaubende Gas wird dem Oberteil des Zyklonabscheiders meist tangential zugeführt und strömt einerseits siralförmig nach unten in den Abscheideraum, andererseits mit der radialen Geschwindigkeitskomonente nach innen ab. Aufgrund der Drallströmung treten Fliehkräfte auf, welche die im Gasstrom enthaltenen Partikeln zur Zyklonwand transortieren. Auf der Wand wandern nun diese Partikel zum Konusende ab und werden in einem druckdichten Behälter aufgefangen. Das Gas verlässt den Zyklonfilter in einem inneren Wirbel durch das Tauchrohr. Möglichkeiten Mittels der Simulationstechnik kann nun untersucht werden, ob bauliche Änderungen einen ositiven Einfluss auf den Abscheidegrad des Zyklonfilters haben: Einlaufstrecke (Rohr-, Schlitz-, Siraleinlauf) Tauchrohrlänge Tauchrohrform (zylindrisches, konisches) Grobgutaustrag (Absetzbunker, Abschirmkegel) Ergebnisse Die Umfangsgeschwindigkeit im Inneren des Zyklonfilters bestimmt den Druckverlust und den Abscheidegrad. Die äußere Umfangsgeschwindigkeit richtet sich nach der Eintrittsgeschwindigkeit und der Bauart des Zykloneinlaufs. Mit zunehmender Gaseintrittsgeschwindigkeit wird das Grenzkorn kleiner der Abscheidegrad steigt an. Um jedoch von einer wirtschadftlichen Staubabscheidung srechen zu können, darf der Druckverlust des Zyklonfilters nicht zu groß werden.

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