Huonevirtauskentän laskennan perusteita

Jorma Heikkinen

Research output: Book/ReportReport

Abstract

Huoneilman virtausten, lämpötilojen ja epäpuhtauksien hallinta on ilmastoinnin perustarkoitus. Sisäilmasto-olojen hallinta eri kuormitustilanteissa edellyttää kehittyneitä suunnittelumenetelmiä. Tässä tutkimuksessa käsiteltävä menetelmä, jossa huoneen virtausta hallitsevat yhtälöt ratkaistaan tietokoneella, antaa yksityiskohtaista tietoa huoneen sisäilmastosta. Yhtälöiden ratkaisemiseksi joudutaan käyttämään empiirisiä turbulenssimalleja, jotka eivät ole yleispäteviä ja siten heikentävät laskennan fysikaalista pohjaa. Tutkimuksen aluksi tarkastellaan k-epsilon turbulenssimallissa, Reynoldsin jännitysmallissa ja algebrallisessa jännitysmallissa tehtäviä oletuksia. Mallien soveltuvuutta huoneen ilmasuihkuihin ja rajakerroksiin selvitetään kirjallisuuden ja omien laskelmien perusteella. Pintojen lähellä olevaa rajakerrosta ei yleensä voida laskea, ja siksi on tavallista käyttää pakotetun virtauksen logaritmisia profiileja rajakerroksen alueella. Nämä seinämäfunktiot eivät kuitenkaan sovi lämmönsiirron laskentaan vapaassa ja sekakonvektiossa. Seinämäfunktioiden käytöstä voidaan luopua käyttämällä pienten Reynoldsin lukujen turbulenssimallia ja samanaikaisesti tiheää laskentaverkkoa seinämän läheisyydessä. Menettelyn haittapuolena on laskentakustannusten Iisääntyminen ja lisäksi pienten Reynoldsin lukujen turbulenssimalleja ei ole riittävästi testattu. Käytännon virtauslaskelmien kannalta on edullisinta, jos konvektiolämpövirta voidaan antaa laskennan lähtöarvona. Tutkimuksessa tarkastellaan myös tuloilma-aukon reunaehtojen mallintamismahdollisuuksia. Kokeellisessa osassa mitataan kaupallisen tuloilmalaitteen suihkun nopeusprofiili ja käytetään sitä reunaehtona huonevirtauksen numeerisessa laskennassa. Tämä menettely on toimiva, mutta vaatii paljon mittauksia. Tarvitataan lisätutkimuksia, jotta voitaisiin antaa tuloilmalaitteiden valmistajille testausohjeet numeerisen laskennan tarpeita varten. Koehuoneen mitattu isoterminen huonevirtauskenttä on kvalitatiivisesti samanlainen kuin numeerisesti laskettu, mutta mitatut virtausnopeudet ovat laskettuja suuremmat. Osittain ero selittyy mittauksen suurilla virherajoilla vedon tunteen kannalta tärkeillä nopeuksilla. Huonevirtausten virtausnopeuksien mittausepätarkkuus puoltaa numeerisia laskentamenetelmiä täysmittakaavakokeisiin verrattuna. Numeerisen laskennan tulo suunnittelutyökaluksi edellyttää vielä ohjelmien käytön helpottamista ja laskentakustannusten pienenemistä. Ilmanvaihtosuunnittelijalle olisi tarpeen saada tulokset suoraan muodossa, josta selviää lämpöoloihin ja epäpuhtauksiin tyytymättömien ihmisten osuus.
Original languageFinnish
Place of PublicationEspoo
PublisherVTT Technical Research Centre of Finland
Number of pages90
ISBN (Print)951-38-3787-4
Publication statusPublished - 1990
MoE publication typeD4 Published development or research report or study

Publication series

SeriesValtion teknillinen tutkimuskeskus. Tutkimuksia - Research Reports
Number705
ISSN0358-5077

Fingerprint

air flow
prediction

Keywords

  • air conditioning
  • control
  • air flow
  • temperature
  • contaminants
  • design
  • methods
  • numerical analysis
  • calculations
  • simulation
  • equations

Cite this

Heikkinen, J. (1990). Huonevirtauskentän laskennan perusteita. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland. Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tutkimuksia - Research Reports, No. 705
Heikkinen, Jorma. / Huonevirtauskentän laskennan perusteita. Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1990. 90 p. (Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tutkimuksia - Research Reports; No. 705).
@book{53d5b50762f34eb794dd90e081b48a9b,
title = "Huonevirtauskent{\"a}n laskennan perusteita",
abstract = "Huoneilman virtausten, l{\"a}mp{\"o}tilojen ja ep{\"a}puhtauksien hallinta on ilmastoinnin perustarkoitus. Sis{\"a}ilmasto-olojen hallinta eri kuormitustilanteissa edellytt{\"a}{\"a} kehittyneit{\"a} suunnittelumenetelmi{\"a}. T{\"a}ss{\"a} tutkimuksessa k{\"a}sitelt{\"a}v{\"a} menetelm{\"a}, jossa huoneen virtausta hallitsevat yht{\"a}l{\"o}t ratkaistaan tietokoneella, antaa yksityiskohtaista tietoa huoneen sis{\"a}ilmastosta. Yht{\"a}l{\"o}iden ratkaisemiseksi joudutaan k{\"a}ytt{\"a}m{\"a}{\"a}n empiirisi{\"a} turbulenssimalleja, jotka eiv{\"a}t ole yleisp{\"a}tevi{\"a} ja siten heikent{\"a}v{\"a}t laskennan fysikaalista pohjaa. Tutkimuksen aluksi tarkastellaan k-epsilon turbulenssimallissa, Reynoldsin j{\"a}nnitysmallissa ja algebrallisessa j{\"a}nnitysmallissa teht{\"a}vi{\"a} oletuksia. Mallien soveltuvuutta huoneen ilmasuihkuihin ja rajakerroksiin selvitet{\"a}{\"a}n kirjallisuuden ja omien laskelmien perusteella. Pintojen l{\"a}hell{\"a} olevaa rajakerrosta ei yleens{\"a} voida laskea, ja siksi on tavallista k{\"a}ytt{\"a}{\"a} pakotetun virtauksen logaritmisia profiileja rajakerroksen alueella. N{\"a}m{\"a} sein{\"a}m{\"a}funktiot eiv{\"a}t kuitenkaan sovi l{\"a}mm{\"o}nsiirron laskentaan vapaassa ja sekakonvektiossa. Sein{\"a}m{\"a}funktioiden k{\"a}yt{\"o}st{\"a} voidaan luopua k{\"a}ytt{\"a}m{\"a}ll{\"a} pienten Reynoldsin lukujen turbulenssimallia ja samanaikaisesti tihe{\"a}{\"a} laskentaverkkoa sein{\"a}m{\"a}n l{\"a}heisyydess{\"a}. Menettelyn haittapuolena on laskentakustannusten Iis{\"a}{\"a}ntyminen ja lis{\"a}ksi pienten Reynoldsin lukujen turbulenssimalleja ei ole riitt{\"a}v{\"a}sti testattu. K{\"a}yt{\"a}nnon virtauslaskelmien kannalta on edullisinta, jos konvektiol{\"a}mp{\"o}virta voidaan antaa laskennan l{\"a}ht{\"o}arvona. Tutkimuksessa tarkastellaan my{\"o}s tuloilma-aukon reunaehtojen mallintamismahdollisuuksia. Kokeellisessa osassa mitataan kaupallisen tuloilmalaitteen suihkun nopeusprofiili ja k{\"a}ytet{\"a}{\"a}n sit{\"a} reunaehtona huonevirtauksen numeerisessa laskennassa. T{\"a}m{\"a} menettely on toimiva, mutta vaatii paljon mittauksia. Tarvitataan lis{\"a}tutkimuksia, jotta voitaisiin antaa tuloilmalaitteiden valmistajille testausohjeet numeerisen laskennan tarpeita varten. Koehuoneen mitattu isoterminen huonevirtauskentt{\"a} on kvalitatiivisesti samanlainen kuin numeerisesti laskettu, mutta mitatut virtausnopeudet ovat laskettuja suuremmat. Osittain ero selittyy mittauksen suurilla virherajoilla vedon tunteen kannalta t{\"a}rkeill{\"a} nopeuksilla. Huonevirtausten virtausnopeuksien mittausep{\"a}tarkkuus puoltaa numeerisia laskentamenetelmi{\"a} t{\"a}ysmittakaavakokeisiin verrattuna. Numeerisen laskennan tulo suunnitteluty{\"o}kaluksi edellytt{\"a}{\"a} viel{\"a} ohjelmien k{\"a}yt{\"o}n helpottamista ja laskentakustannusten pienenemist{\"a}. Ilmanvaihtosuunnittelijalle olisi tarpeen saada tulokset suoraan muodossa, josta selvi{\"a}{\"a} l{\"a}mp{\"o}oloihin ja ep{\"a}puhtauksiin tyytym{\"a}tt{\"o}mien ihmisten osuus.",
keywords = "air conditioning, control, air flow, temperature, contaminants, design, methods, numerical analysis, calculations, simulation, equations",
author = "Jorma Heikkinen",
year = "1990",
language = "Finnish",
isbn = "951-38-3787-4",
series = "Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tutkimuksia - Research Reports",
publisher = "VTT Technical Research Centre of Finland",
number = "705",
address = "Finland",

}

Heikkinen, J 1990, Huonevirtauskentän laskennan perusteita. Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tutkimuksia - Research Reports, no. 705, VTT Technical Research Centre of Finland, Espoo.

Huonevirtauskentän laskennan perusteita. / Heikkinen, Jorma.

Espoo : VTT Technical Research Centre of Finland, 1990. 90 p. (Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tutkimuksia - Research Reports; No. 705).

Research output: Book/ReportReport

TY - BOOK

T1 - Huonevirtauskentän laskennan perusteita

AU - Heikkinen, Jorma

PY - 1990

Y1 - 1990

N2 - Huoneilman virtausten, lämpötilojen ja epäpuhtauksien hallinta on ilmastoinnin perustarkoitus. Sisäilmasto-olojen hallinta eri kuormitustilanteissa edellyttää kehittyneitä suunnittelumenetelmiä. Tässä tutkimuksessa käsiteltävä menetelmä, jossa huoneen virtausta hallitsevat yhtälöt ratkaistaan tietokoneella, antaa yksityiskohtaista tietoa huoneen sisäilmastosta. Yhtälöiden ratkaisemiseksi joudutaan käyttämään empiirisiä turbulenssimalleja, jotka eivät ole yleispäteviä ja siten heikentävät laskennan fysikaalista pohjaa. Tutkimuksen aluksi tarkastellaan k-epsilon turbulenssimallissa, Reynoldsin jännitysmallissa ja algebrallisessa jännitysmallissa tehtäviä oletuksia. Mallien soveltuvuutta huoneen ilmasuihkuihin ja rajakerroksiin selvitetään kirjallisuuden ja omien laskelmien perusteella. Pintojen lähellä olevaa rajakerrosta ei yleensä voida laskea, ja siksi on tavallista käyttää pakotetun virtauksen logaritmisia profiileja rajakerroksen alueella. Nämä seinämäfunktiot eivät kuitenkaan sovi lämmönsiirron laskentaan vapaassa ja sekakonvektiossa. Seinämäfunktioiden käytöstä voidaan luopua käyttämällä pienten Reynoldsin lukujen turbulenssimallia ja samanaikaisesti tiheää laskentaverkkoa seinämän läheisyydessä. Menettelyn haittapuolena on laskentakustannusten Iisääntyminen ja lisäksi pienten Reynoldsin lukujen turbulenssimalleja ei ole riittävästi testattu. Käytännon virtauslaskelmien kannalta on edullisinta, jos konvektiolämpövirta voidaan antaa laskennan lähtöarvona. Tutkimuksessa tarkastellaan myös tuloilma-aukon reunaehtojen mallintamismahdollisuuksia. Kokeellisessa osassa mitataan kaupallisen tuloilmalaitteen suihkun nopeusprofiili ja käytetään sitä reunaehtona huonevirtauksen numeerisessa laskennassa. Tämä menettely on toimiva, mutta vaatii paljon mittauksia. Tarvitataan lisätutkimuksia, jotta voitaisiin antaa tuloilmalaitteiden valmistajille testausohjeet numeerisen laskennan tarpeita varten. Koehuoneen mitattu isoterminen huonevirtauskenttä on kvalitatiivisesti samanlainen kuin numeerisesti laskettu, mutta mitatut virtausnopeudet ovat laskettuja suuremmat. Osittain ero selittyy mittauksen suurilla virherajoilla vedon tunteen kannalta tärkeillä nopeuksilla. Huonevirtausten virtausnopeuksien mittausepätarkkuus puoltaa numeerisia laskentamenetelmiä täysmittakaavakokeisiin verrattuna. Numeerisen laskennan tulo suunnittelutyökaluksi edellyttää vielä ohjelmien käytön helpottamista ja laskentakustannusten pienenemistä. Ilmanvaihtosuunnittelijalle olisi tarpeen saada tulokset suoraan muodossa, josta selviää lämpöoloihin ja epäpuhtauksiin tyytymättömien ihmisten osuus.

AB - Huoneilman virtausten, lämpötilojen ja epäpuhtauksien hallinta on ilmastoinnin perustarkoitus. Sisäilmasto-olojen hallinta eri kuormitustilanteissa edellyttää kehittyneitä suunnittelumenetelmiä. Tässä tutkimuksessa käsiteltävä menetelmä, jossa huoneen virtausta hallitsevat yhtälöt ratkaistaan tietokoneella, antaa yksityiskohtaista tietoa huoneen sisäilmastosta. Yhtälöiden ratkaisemiseksi joudutaan käyttämään empiirisiä turbulenssimalleja, jotka eivät ole yleispäteviä ja siten heikentävät laskennan fysikaalista pohjaa. Tutkimuksen aluksi tarkastellaan k-epsilon turbulenssimallissa, Reynoldsin jännitysmallissa ja algebrallisessa jännitysmallissa tehtäviä oletuksia. Mallien soveltuvuutta huoneen ilmasuihkuihin ja rajakerroksiin selvitetään kirjallisuuden ja omien laskelmien perusteella. Pintojen lähellä olevaa rajakerrosta ei yleensä voida laskea, ja siksi on tavallista käyttää pakotetun virtauksen logaritmisia profiileja rajakerroksen alueella. Nämä seinämäfunktiot eivät kuitenkaan sovi lämmönsiirron laskentaan vapaassa ja sekakonvektiossa. Seinämäfunktioiden käytöstä voidaan luopua käyttämällä pienten Reynoldsin lukujen turbulenssimallia ja samanaikaisesti tiheää laskentaverkkoa seinämän läheisyydessä. Menettelyn haittapuolena on laskentakustannusten Iisääntyminen ja lisäksi pienten Reynoldsin lukujen turbulenssimalleja ei ole riittävästi testattu. Käytännon virtauslaskelmien kannalta on edullisinta, jos konvektiolämpövirta voidaan antaa laskennan lähtöarvona. Tutkimuksessa tarkastellaan myös tuloilma-aukon reunaehtojen mallintamismahdollisuuksia. Kokeellisessa osassa mitataan kaupallisen tuloilmalaitteen suihkun nopeusprofiili ja käytetään sitä reunaehtona huonevirtauksen numeerisessa laskennassa. Tämä menettely on toimiva, mutta vaatii paljon mittauksia. Tarvitataan lisätutkimuksia, jotta voitaisiin antaa tuloilmalaitteiden valmistajille testausohjeet numeerisen laskennan tarpeita varten. Koehuoneen mitattu isoterminen huonevirtauskenttä on kvalitatiivisesti samanlainen kuin numeerisesti laskettu, mutta mitatut virtausnopeudet ovat laskettuja suuremmat. Osittain ero selittyy mittauksen suurilla virherajoilla vedon tunteen kannalta tärkeillä nopeuksilla. Huonevirtausten virtausnopeuksien mittausepätarkkuus puoltaa numeerisia laskentamenetelmiä täysmittakaavakokeisiin verrattuna. Numeerisen laskennan tulo suunnittelutyökaluksi edellyttää vielä ohjelmien käytön helpottamista ja laskentakustannusten pienenemistä. Ilmanvaihtosuunnittelijalle olisi tarpeen saada tulokset suoraan muodossa, josta selviää lämpöoloihin ja epäpuhtauksiin tyytymättömien ihmisten osuus.

KW - air conditioning

KW - control

KW - air flow

KW - temperature

KW - contaminants

KW - design

KW - methods

KW - numerical analysis

KW - calculations

KW - simulation

KW - equations

M3 - Report

SN - 951-38-3787-4

T3 - Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tutkimuksia - Research Reports

BT - Huonevirtauskentän laskennan perusteita

PB - VTT Technical Research Centre of Finland

CY - Espoo

ER -

Heikkinen J. Huonevirtauskentän laskennan perusteita. Espoo: VTT Technical Research Centre of Finland, 1990. 90 p. (Valtion teknillinen tutkimuskeskus. Tutkimuksia - Research Reports; No. 705).