DE102006009646B4 - Method and arrangement for simulating a room air flow - Google Patents
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Abstract
Verfahren zur Nachbildung einer Raumluftströmung dadurch gekennzeichnet, dass ein verkleinerter Modellraum (6) eines zu analysierenden Raumes mit einem komprimierten Gas gefüllt wird, dessen mittlerer Druck und mittlere Temperatur so eingestellt werden, dass bei geeigneter Wahl der Leistung der Heizelemente (9) und des Volumenstroms an den Gaseintrittsöffnungen (7) der Strömungszustand des Gases im Modellraum durch die gleichen Werte der hydrodynamischen Ähnlichkeitsparameter Reynoldszahl, Rayleighzahl und Prandtlzahl charakterisiert wird wie im zu analysierenden Raum.method characterized for simulating a room air flow, that a reduced model space (6) of a space to be analyzed with filled with a compressed gas is set, the mean pressure and mean temperature so be that, with a suitable choice of the performance of the heating elements (9) and the volume flow at the gas inlet openings (7) of the flow state of the gas in model space by the same values of hydrodynamic similarity parameters Reynolds number, Rayleigh number and Prandtl number is characterized as in the room to be analyzed.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung, mit denen die Bewegung von Luft im Inneren eines Gebäudes, eines Raumes oder einer Passagierkabine in verkleinertem Maßstab nachgebildet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Folgenden als Hochdruckmodellierung bezeichnet, die erfindungsgemäße Anordnung wird im Folgenden Hochdruckmodell genannt.The The invention relates to a method and an arrangement with which the Movement of air inside a building, a room or a passenger cabin on a smaller scale can be reproduced. The process according to the invention is described below referred to as high pressure modeling, the inventive arrangement is called high-pressure model in the following.
Die Kenntnis der räumlichen Verteilung von Luftgeschwindigkeit, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit, Schadstoffen, Gerüchen und Krankheitserregern ist für das Wohlbefinden und die Gesundheit von Menschen in Gebäuden und Verkehrsmitteln von großer Bedeutung. Insbesondere ist es bei der Planung von Gebäuden, Kraftfahrzeugen, Schienenfahrzeugen und Passagierflugzeugen von Interesse, für einen gegebenen Innenraum, eine gegebene Anordnung von Heizelementen, Lufteinlässen, Luftauslässen und Wandmaterialien sowie für eine gegebene Zahl und Verteilung von Personen die oben genannten Größen als Funktion von Ort und Zeit genau vorhersagen zu können.The Knowledge of spatial Distribution of air velocity, air temperature, humidity, pollutants, smells and pathogens is for the well-being and health of people in buildings and Transportation of great importance. In particular, it is in the planning of buildings, motor vehicles, rail vehicles and Passenger aircraft of interest, for a given interior, a given arrangement of heating elements, air inlets, air outlets and Wall materials as well as for a given number and distribution of persons the above sizes as To accurately predict the function of place and time.
Bei den zum Stand der Technik gehörenden numerischen Methoden werden die Gleichungen der Strömungsmechanik mittels eines Computers gelöst und aus den Lösungen die gesuchten Größen wie zum Beispiel die Strömungsgeschwindigkeit und die Lufttemperatur in der Nähe der Personen bestimmt. Da Raumluftströmungen jedoch turbulent sind, ist ihre numerische Simulation durch große Unsicherheiten gekennzeichnet. Eine zuverlässige Vorhersage von Raumluftströmungen auf alleiniger Grundlage numerischer Methoden ist mithin nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht möglich.at the prior art numerical Methods are the equations of fluid mechanics by means of a Computers solved and from the solutions the sought after sizes such as Example the flow velocity and the air temperature in the vicinity of persons. However, since room air flows are turbulent, their numerical simulation is characterized by great uncertainties. A reliable one Prediction of room air flows on the sole basis of numerical methods is therefore after the current state of the art not possible.
In der Aerodynamik ist die experimentelle Methode der Windkanalmodellierung weit verbreitet. Sie ist zur Nachbildung von Zwangskonvektion geeignet, bei der ein Gegenstand wie beispielsweise ein Flugzeug von einem durch Bewegung verursachten Luftstrom umflossen wird. Gemäß der hydrodynamischen Ähnlichkeitstheorie stellt ein verkleinertes Modell des Flugzeuges in einem Windkanal genau dann eine maßstabsgerechte Nachbildung der realen Strömung dar, wenn die Reynoldszahl (Re) von Original und Modell übereinstimmen.In Aerodynamics is the experimental method of wind tunnel modeling widespread. It is suitable for simulating forced convection, when an object such as an airplane of one flow of air caused by movement. According to the hydrodynamic similarity theory represents a scaled-down model of the aircraft in a wind tunnel then exactly to scale Replica of the real flow when the Reynolds number (Re) of original and model match.
Bei Raumluftströmungen handelt es sich im Gegensatz zu aerodynamischen Umströmungsproblemen um Mischkonvektion. Dieser Strömungstyp ist dadurch gekennzeichnet, dass er sowohl durch mechanische Quellen (Lüfter) als auch durch thermische Quellen (Heizelemente) verursacht wird und deshalb im Gegensatz zur Zwangskonvektion nicht nur durch einen, sondern durch drei Ähnlichkeitsparameter gekennzeichnet wird. Dabei handelt es sich um die Reynoldszahl Re, um die Rayleighzahl Ra und um die Prandtlzahl Pr.at Room air currents This is in contrast to aerodynamic flow problems for mixed convection. This flow type is characterized in that it by both mechanical sources (Fan) as well as by thermal sources (heating elements) is caused and therefore, unlike forced convection, not just one, but by three similarity parameters is marked. This is the Reynolds number Re, around the Rayleigh number Ra and the Prandtl number Pr.
Will man in einem Modellexperiment eine Raumluftströmung nachbilden, so muss man gemäß den Prinzipien der hydrodynamischen Ähnlichkeitstheorie sicherstellen, dass die drei Ähnlichkeitsparameter Re, Ra und Pr des Modells den gleichen Wert besitzen wie die des Originals.Want You have to simulate a room air flow in a model experiment according to the principles the hydrodynamic similarity theory Make sure the three similarity parameters Re, Ra and Pr have the same value as the model Original.
Aus der Literatur (siehe beispielsweise die Druckschrift D. Müller, I. Gores, R. Zielinski, Impact of the Thermal Load an the Room Airflow Pattern; Roomvent 2004, 9th International Conference an Air Distribution in Rooms; Sep 5-8, 2004, Portugal) sind experimentelle Methoden zur Untersuchung von Raumluftströmungen bekannt, bei denen der zu analysierende Raum im Originalmaßstab aufgebaut wird. Hierbei sind die Ähnlichkeitsparameter von Original und Modell automatisch gleich, jedoch ist dieses Verfahren mit einem hohen baulichen Aufwand verbunden und deshalb für viele Fälle nicht praktikabel. Aus der Publikation "The fluid mechanics of natural ventilation" von P.F. Linden, Annual Review of Fluid Mechanics, 1999, vol. 31, 201-238 ist ferner eine experimentelle Methode bekannt, bei der der zu analysierende Raum in einem verkleinerten Maßstab aufgebaut und als Modellsubstanz Wasser statt Luft verwendet wird. Durch geeignete Wahl von Heizleistung und Volumenstrom kann bei dieser Methode die Übereinstimmung von Re und Ra erreicht werden. Der Parameter Pr von Wasser liegt jedoch um mehr als eine Größenordnung über dem von Luft. Somit ist die Wasserströmung im Modell nicht mit der Luftströmung im Original identisch. Auch bei Verwendung von Luft unter Normaldruck ist es nicht möglich, in einem verkleinerten Modell die gleichzeitige Übereinstimmung von Re, Ra und Pr zu gewährleisten, weil die hierfür erforderlichen Temperaturdifferenzen mit der dritten Potenz des Modellmaßstabes ansteigen. So müsste etwa im Fall eines Modellmaßstabes von 1:10 die Temperaturdifferenz zwischen Heizelement und Lufteinlass von 10K rein rechnerisch auf 1000K vergrößert werden, was nicht praktikabel ist.Out the literature (see, for example, the publication D. Mueller, I. Gores, R. Zielinski, Impact of the Thermal Load on the Room Airflow pattern; Roomvent 2004, 9th International Conference to Air Distribution in rooms; Sep 5-8, 2004, Portugal) are experimental methods for the investigation of room air flows in which the space to be analyzed is constructed on the original scale becomes. Here are the similarity parameters automatically equal to original and model, however, this procedure is associated with a high construction cost and therefore for many Not cases practical. From the publication "The fluid mechanics of natural ventilation" by P.F. Linden, Annual Review of Fluid Mechanics, 1999, vol. 31, 201-238 is further an experimental method known in which to be analyzed Space on a reduced scale built and used as a model substance water instead of air. By a suitable choice of heating power and flow rate can at this method the match be reached by Re and Ra. The parameter Pr of water is however, by more than an order of magnitude above that of air. Thus, the water flow in the model is not with the airflow identical in the original. Also when using air under normal pressure it is impossible, in a scaled-down model, the concurrence of Re, Ra, and To assure Pr because the for this required temperature differences with the cube of the model scale increase. So would have to for example in the case of a model scale from 1:10 the temperature difference between heating element and air inlet Calculated from 10K purely computationally to 1000K, which is not practical is.
In den Druckschriften „Steady-State Natural Convection in Empty and Partitioned Enclosures at High Rayleigh Numbers" (D. A. Olson, L. R. Glicksman, H. M. Ferm, Trans. ASME, vol. 112, 1990, pp. 640-647) und „Design of an Experimental Facility for Building Airflow and Heat Transfer Measurements" (Dissertationsschrift Mohammad Elyyan, Oklahoma State University, 2005) werden Gase mit hoher Dichte wie zum Beispiel das Kältemittel 114 auf ihre Eignung als Arbeitssubstanz für Modellexperimente geprüft. Die beschriebenen Experimente werden jedoch ausschließlich bei Normaldruck durchgeführt. Hierbei ist höchstens ein Maßstabsfaktor von 1:5 erreichbar.In the pamphlets "Steady State Natural Convection in Empty and Partitioned Enclosures at High Rayleigh Numbers "(D.A. Olson, L.R. Glicksman, H.M. Ferm, Trans. ASME, vol. 112, 1990 pp. 640-647) and "Design of an Experimental Facility for Building Airflow and Heat Transfer Measurements "(Dissertationsschrift Mohammad Elyyan, Oklahoma State University, 2005) are gases with high density such as the refrigerant 114 on their suitability as working substance for Model experiments tested. However, the experiments described are only included Normal pressure performed. This is at most a scale factor reachable from 1: 5.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung bereitzustellen, die es erlauben, eine Raumluftströmung in einem stark verkleinerten Modell, gekennzeichnet durch Maßstabsfaktoren von mindestens 1:10, unter Beibehaltung aller drei strömungsmechanischen Ähnlichkeitsparameter Re, Ra und Pr nachzubilden.The present invention is thus the It is the object of the invention to provide a method and an arrangement which make it possible to simulate a room air flow in a strongly reduced model, characterized by scale factors of at least 1:10, while retaining all three fluid-mechanical similarity parameters Re, Ra and Pr.
Die genannten Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 5 gelöst, während den abhängigen Ansprüchen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zu entnehmen sind.The These objects are achieved according to the invention by the features of the independent claims 1 and 5 solved, while the dependent claims advantageous developments of the invention can be seen.
Als Lösung für die oben gestellten Aufgaben dient das Verfahren der Hochdruckmodellierung. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das verkleinerte Modell des zu untersuchenden Raumes in einem Druckbehälter mit einem komprimierten Gas gefüllt wird, dessen mittlerer Druck und mittlere Temperatur regelbar sind. Da die kinematische Viskosität und thermische Diffusivität komprimierter Gase wie beispielsweise Luft oder Schwefelhexafluorid stark von Druck und Temperatur abhängen, kann durch geeignete Wahl dieser beiden Größen sowie der Heizleistung und Volumenströme eine Übereinstimmung aller drei hydrodynamischen Ähnlichkeitsparameter erreicht werden.When solution for the The tasks set above serve the purpose of high-pressure modeling. This method is characterized in that the reduced Model of the space to be examined in a pressure vessel with filled with a compressed gas whose mean pressure and average temperature are controllable. Since the kinematic viscosity and thermal diffusivity compressed gases such as air or sulfur hexafluoride can depend heavily on pressure and temperature, can by suitable Choice of these two sizes as well the heating power and volume flows a match of all achieved three hydrodynamic similarity parameters become.
Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem folgenden,
anhand von
Nach
Der
Modellraum ist mit Heizelementen (
Im
Inneren des Modellraums befinden sich ein oder mehrere Personenmodelle
(
Die
im Inneren des Modellraums entstehende Strömung wird durch lokale Sensoren
(
- 11
- Druckbehälterpressure vessel
- 22
- Sicherheitsventilsafety valve
- 33
- Vakuumpumpevacuum pump
- 44
- GasversorgungseinheitGas supply unit
- 55
- Sichtfensterwindow
- 66
- Modellraummodel space
- 77
- GaseintrittsöffnungGas inlet opening
- 88th
- GasaustrittsöffnungGas outlet
- 99
- Heizelementheating element
- 1010
- Wärmetauscherheat exchangers
- 1111
- KühlkreislaufCooling circuit
- 1212
- KühlmittelpumpeCoolant pump
- 1313
- Sensorsensor
- 1414
- erste Auswerteeinheitfirst evaluation
- 1515
- Stromversorgungpower supply
- 1616
- optisches Strömungsmessgerätoptical flow meter
- 1717
- zweite Auswerteeinheitsecond evaluation
- 1818
- TermografiesystemTermografiesystem
- 1919
- Personenmodellpeople model
- 2020
- Schwebeteilchen zur Sichtbarmachung der Strömung (Tracerteilchen)suspended to visualize the flow (Tracer)
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