Využití CFD simulací v praktických aplikacích techniky prostředí

Společně s vývojem výpočetní techniky se postupně mění přístupy a nástroje projektové a konstruktérské činnosti v oboru techniky prostředí. Standardní metody jsou doplňovány dalšími alternativami, mezi něž patří i CFD simulace. Jejich podstatou je numerické řešení diferenciálních rovnic popisujících proudění tekutin. Poskytují tak hodnoty tlaku, rychlosti, teploty, intenzity turbulence a dalších veličin na síti výpočetních buněk (kontrolních objemů), na které je rozdělena oblast, v níž se provádí výpočet proudění, přenosu tepla, případně přenosu látky. S využitím získaných  výsledků  je možné analyzovat řešenou oblast zároveň detailně i komplexně a díky tomu lépe poznat a pochopit skryté interakce.

Motivací pro použití simulačních  metod při navrhování a projektování je snížení nákladů na vývoj (návrh), výrobu (realizaci) i provoz zařízení (systémů, budov atd.).  První důležitou roli hrají simulace tím, že poskytují jinak nedostupné informace, na jejichž základě lze racionálně rozhodovat o postupu návrhu, dimenzování zařízení apod. Další důležitou funkci má relativně snadná dostupnost  variantních řešení, takže simulace lze využít k optimalizaci návrhu či provozu zařízení. Lze tak zvýšit účinnost, kvalitu, životnost, bezpečnost,  ale i snížit dopad na životní prostředí, a to jak u nových, tak i stávajících zařízení a systémů.

Praktická využitelnost CFD simulací se v posledních letech výrazně zvýšila. U softwarových  nástrojů pro tvorbu geometrií a numerických sítí CFD  modelů a také pro výpočet simulací a zpracování výsledků došlo ke znatelnému posunu. Zvýšila se také rychlost výpočtů. S ohledem na tyto skutečnosti  jsou CFD  simulace  stále častěji využívány i na Ústavu techniky prostředí a na Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Praze, kde proběhla řada projektů s čistě výzkumným zaměřením, ale také s přímou aplikací v praxi, ve spolupráci s průmyslovými  partnery. Projekty byly zaměřeny např. na vývoj a optimalizaci nových zařízení techniky prostředí, na analýzy proudění v otopných tělesech a dalších prvcích otopných soustav, analýzy proudění vzduchu ve větraných prostorách (např. chráněné archivy, kulturní zařízení atd.). Pro ilustraci byly vybrány dva příklady projektů, které byly řešeny  s průmyslovými partnery mezi roky 2017 až 2020 – CFD  analýza proudění ve ventilátorové komoře ALTEKO Alton 3 a vývoj malé kompaktní větrací jednotky RECUAIR DC40.

CFD analýza proudění ve ventilátorové komoře ALTEKO Alton 3

Od začátku roku 2016 vstoupilo v platnost nařízení Evropské komise č. 1253/2014,  které stanovuje  požadavky  na ekodesign  větracích a klimatizačních jednotek, mimo jiné s využitím nově zavedeného parametru SFP, který vyjadřuje měrný příkon ventilátoru [1]. Toto nařízení urychlilo vývoj a inovace v oblasti vzduchotechnických zařízení. Jednou z možností, jak dosáhnout požadovaných energetických úspor, je použití elektricky komutovaných (EC) motorů.

Na ČVUT v Praze proběhl ve spolupráci s firmou ALTEKO, s.r.o., výzkumný projekt zaměřený na optimalizaci ventilátorové komory s radiálním ventilátorem s volně uloženým oběžným kolem pro sestavné klimatizační jednotky. Projekt byl řešen v rámci operačního programu EU Podnikání a inovace pro konkurenceschopnost. Počáteční etapou projektu v prvním pololetí 2017 bylo detailní vyhodnocení proudění ve ventilátorové komoře ALTEKO Tango 4 metodou CFD. Studie vycházela z geometrie vytvořené v programu SolidWorks konstruktéry klimatizační jednotky. Dodaná geometrie byla upravena pro potřeby CFD  simulace a diskretizována polyedrální výpočetní sítí. Simulace proudění a zpracování výsledků bylo řešeno v programu ANSYS Fluent pro čtyři stanovené pracovní body ventilátoru, viz např. obr. 1 zobrazující rychlostní pole ve ventilátorové komoře pro 2500 ot/min. Rotace oběžného kola byla aproximována metodou MRF [2]. Simulační analýza poskytla podklady pro změny vnitřního uspořádání komory, jejichž účelem bylo minimalizovat vznik lokálních tlakových ztrát a možných zdrojů akustického hluku. Stávající hlukové parametry jednotky byly zjištěny měřením.

Na základě provedené  simulační analýzy proudění ve ventilátorové komoře ALTEKO Tango 4  bylo navrženo inovované  konstrukční řešení zařízení. Daný postup návrhu byl iteračním procesem, kdy byla na základě simulovaných výsledků identifikována kritická místa navrženého řešení, ta byla optimalizována a upravená geometrie byla následně opět analyzována CFD simulacemi.  Při tom byla nutná úzká spolupráce mezi CFD specialisty  a konstrukčním týmem firmy ALTEKO, s.r.o. Hlavní inovací řešeného  zařízení bylo použití elektricky komutovaného (EC) motoru. To  přináší kromě energetických  úspor možnost výrazně optimalizovat vnitřní uspořádání ventilátorové komory. Bylo  zjednodušeno  lože motoru, byly odstraněny překážky proudění uvnitř zařízení a stěny ventilátorové komory byly zdvojeny a vyplněny akustickou izolací. Vhodnost provedených konstrukčních změn byla ověřena CFD  simulacacemi  a měřením v akustické laboratoři. Výsledná geometrie nové ventilátorové komory ALTEKO Alton 3 je zobrazena na obr. 2 v porovnání s původní geometrií.  Stejně  jako v případně komory ALTEKO Tango 4 se jedná o ventilátorovou komoru vybavenou radiálním ventilátorem s volně uloženým oběžným kolem. Bylo však dosaženo vyšší energetické účinnosti a nižšího akustického výkonu generovaného  zařízením, které je v současné době zařazeno do výrobního programu firmy ALTEKO, s.r.o.

Zvýšení kvality vnitřního prostředí ve stávajících stavbách je jednou z priorit oboru techniky  prostředí. Jedním ze způsobů je použití decentralizovaných jednotek pro místní větrání, které je možné instalovat do obývaných místností bez zásadních stavebních úprav. Řízeným větráním je pak zajištěn dostatek čerstvého vzduchu a zároveň vzniká zdravé a příjemné prostředí pro uživatele.

Na ČVUT v Praze probíhá ve spolupráci s firmou RECUAIR, s.r.o., tříletý výzkumný projekt zaměřený na vývoj malé kompaktní větrací jednotky RECUAIR DC40 pro lokální větrání místností, viz obr. 3. Jedná se o samostatně instalovanou jednotku bez potrubí a bez odvodu kondenzátu se schopností zpětného zisku tepla a vlhkosti. Pohledová část jednotky je umístěna na vnitřní stěně místnosti, válec o průměru 260 mm na zadní straně jednotky prochází obvodovou stěnou objektu a ústí na fasádu. Ve válci je umístěn otočný rekuperační výměník poháněný servopohonem, který se otáčí o 180° v přesně stanovených intervalech podle teploty venkovního vzduchu. Zajišťuje se tím střídavé proudění znehodnoceného  odpadního a čerstvého venkovního vzduchu přes kanálky výměníku. Jednotka díky tomu zabraňuje námraze výměníku a celoročně umožňuje dosahovat vysoké účinnosti zpětného získávání tepla a vlhkosti.

S využitím CFD simulací byla realizována studie proudění vzduchu ve složitém systému přívodního a odvodního kanálu větrací jednotky, viz obr. 4. Simulační analýza byla provedena v programu ANSYS Fluent a vycházela z konstrukční  geometrie poskytnuté zadavatelem studie. Pro diskretizaci úlohy byla zvolena hybridní objemová síť, která kombinuje hexagonální buňky v prostoru s polyedrálními buňkami v blízkosti stěn, viz obr. 5. Proudění v přívodním a odvodním kanálu bylo řešeno zvlášť. V obou případech byla v simulaci uvažována jak rotace ventilátorů, která byla řešena metodou MRF, tak filtry přívodního a odvodního vzduchu, jejichž vliv byl aproximován porézní vrstvou v místě filtru. Charakteristika porézního prvku byla nastavena aplikací PorZo [3] na základě podkladů od výrobce filtrů. Tlaková ztráta výměníku  tepla ve válcové  části zařízení byla předepsána okrajovou podmínkou. Simulace byla provedena pro jeden pracovní stav jednotky při průtoku vzduchu 45 m³/h každým z kanálů. Výsledky  počítačového  vyhodnocení prototypu jednotky indikovaly rychlostní a tlakové pole proudícího vzduchu (viz např. obr. 6) a sloužily jako zpětná vazba konstrukčnímu týmu firmy RECUAIR, s.r.o., při dalším vývoji a optimalizaci zařízení.

Simulační analýza proudění poskytla podklady pro změny vnitřního uspořádání jednotky, jejichž účelem bylo minimalizovat vznik lokálních tlakových ztrát a možných zdrojů hluku. Možnost získat jinak nedostupné informace a relativně snadné zpracování variantních řešení umožnily zvýšit účinnost a kvalitu zařízení a snížit jeho akustický výkon. Kromě drobných úprav geometrie kanálů vzduchotechnické jednotky (zaoblení vybraných rohů a odskoků, úprava vtokové části) byla změněna pozice jednoho z ventilátorů a bylo navrženo doplnění jednotky vzduchotechnickou vyústkou pro usměrnění vzduchu vystupujícího do místnosti. V rámci samostatné numerické analýzy bylo porovnáno použití čtyř rozdílných vzduchotechnických vyústek – přívodní otvor bez vyústky, opatřený perforovanou vyústkou, směrovými lopatkami a směrovatelnými dýzami, které byly doporučeny k použití na finálním zařízení.

Cílem projektu bylo navrhnout konstrukční řešení přinášející vyšší energetickou účinnost a nižší akustický výkon generovaný zařízením, s přihlédnutím k zachování velmi kompaktních rozměrů jednotky. Numerická CFD studie byla doprovázena měřením  hluku v akustické  laboratoři a měřením  výkonu  v laboratorních podmínkách. Výstupem projektu, jenž byl řešen v rámci operačního programu EU Podnikání a inovace pro konkurenceschopnost, je malá kompaktní větrací jednotka RECUAIR DC40, viz obr. 7, která je v současné době uváděna na trh.

Závěr

Cílem příspěvku bylo informovat o současných možnostech  využití CFD simulací v oboru techniky prostředí. Tyto možnosti byly demonstrovány na vybraných příkladech numerických studií, které byly řešeny na ČVUT v Praze ve spolupráci s průmyslovými partnery. Výsledky  provedených CFD simulací byly využity jako východisko pro analýzu a následnou optimalizaci vyvíjených zařízení. Výstupem prezentovaných projektů jsou zařízení s inovovaným konstrukčním řešením, komerčně dostupná na trhu – ventilátorová komora ALTEKO Alton 3 pro sestavné klimatizační jednotky a malá kompaktní větrací jednotka RECUAIR DC40.

Zdroje:
[1] Evropská komise. Nařízení komise (EU) č. 1253/2014 ze 7. července 2014, kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign větracích jednotek. Lucembursko: Úřad pro publikace EU, 2014.
[2] ANSYS Inc. ANSYS Fluent User's Guide. USA: ANSYS Inc., 2013.
[3] PorZo. SVS FEM s.r.o. Dostupné z: https://www.svsfem.cz/produkty/aplikace-ansys-act/porzo (23. 4. 2020).
[4] Použité fotografie jednotky RECUAID DC40: J. Ryszawy, VIC ČVUT v Praze.