Numerieke en experimentele studie van verschillende nieuwe jet mengventilatie concepten ter verbetering van de ventilatie-efficiëntie

Ventilatie speelt een belangrijke rol in het verwezenlijken van een kwalitatief goede binnenomgeving, met name door het voorzien in goede luchtkwaliteit of thermisch comfort, maar kan ook een hoger energieverbruik teweegbrengen. In vliegtuigcabines is ventilatie zeer essentieel door het beperkte volume van de ruimte en de hoge bezettingsgraad van passagiers. Veelal voert het luchtdistributiesysteem van de cabine verse (geconditioneerde) ventilatielucht toe boven de passagiersruimte (mengventilatie), vaak door middel van tegenoverstaande inlaten (toevoeropeningen) welke luchtstralen onder hoge impuls genereren om een goede menging tussen toevoer- en cabinelucht te bekomen. Echter, de prestatie van mengventilatie kan slechter zijn dan dat van andere (niet-conventionele) ventilatiemethodes, zelfs indien perfecte menging wordt bereikt, en deze kan sterk ongunstig beïnvloed worden door aanwezigheid van stagnatiezones of kortsluiting (“short-circuiting”), resulterend in een verhoging van het toevoerdebiet ter compensatie. Dit maakt onderzoek naar nieuwe mengventilatieconcepten noodzakelijk.

De ventilatieprestatie is afhankelijk van de geïnduceerde complexe luchtstromen die het gehele stromingsveld opmaken, welke – in een configuratie met tegenoverstaande toevoerstralen – hoofdzakelijk aangedreven worden door deze toevoerstralen, maar tevens beïnvloed worden door overige factoren zoals obstructies (stoelen, passagiers), de specifieke geometrie van de cabine, bewegingen van passagiers en thermische effecten (afkomstig van passagiers, elektrische apparatuur). Het verbeteren van de ventilatieprestatie vraagt om gedetailleerde inzichten in deze luchtstromen en, meer in het bijzonder, een grondige analyse van de onderliggende fundamentele stromingscomponenten (zoals de toevoerstralen, hun interactie tot een samengestelde straal, recirculatie zones, etc.), wat tot nog toe voor tegenoverstaande stralen in een omsloten ruimte slechts zelden werd onderzocht.

Dit proefschrift omvat een systematisch onderzoek waarin vijf doelen vooropgesteld worden: (1) ontwikkelen van een nieuwe experimentele opstelling bestaande uit een vereenvoudigd cabinemodel met tegenoverstaande toevoerstralen, waarin de fundamentele stromingscomponenten van isotherme mengventilatie in een vliegtuigcabine gerealiseerd worden, (2) meten en analyseren van het gehele stromingsveld en de afzonderlijke stromings­componenten, (3) voorzien van hoge resolutie meetdata ten behoeve van numerieke validatiestudies, (4) prestatie-analyse van verschillende numerieke simulatiemethodes in het voorspellen van het gehele stromingsveld en de afzonderlijke stromingscomponenten, (5) numerieke evaluatie van een tijdsperiodiek toevoerdebiet als nieuw concept voor een verbeterde ventilatie-efficiëntie (lucht menging/verversing en afvoer) in de cabine. De metingen zijn uitgevoerd met de particle image velocimetry (PIV) techniek en computational fluid dynamics (CFD) is toegepast voor de numerieke analyses.

Het proefschrift is opgebouwd uit drie delen. Deel I behandelt de metingen in het vereenvoudigd – gereduceerd schaal, water gevuld, leeg en isotherm – cabinemodel. Zowel het gemiddeld als instantaan stromingsveld worden bestudeerd in twee configuraties van tegenoverstaande toevoerstralen, namelijk vlakke wandstralen (topinlaten) en vlakke vrije stralen (laterale inlaten). Verschillende toevoer Reynolds getallen binnen het transitionele regime zijn geëvalueerd en een specifieke karakterisering van de fundamentele stromingscomponenten is uitgevoerd. In deel II ligt de focus op het valideren van (unsteady) Reynolds-averaged Navier-Stokes (RANS) simulaties en large eddy simulations (LES) met verschillende turbulentiemodellen en subgrid-schaalmodellen, respectievelijk. Hiervoor zijn de gemeten snelheids- en turbulentiedata en ‑karakteristieken zoals beschreven in deel I gebruikt. LES toont de hoogste nauwkeurigheid. Tot slot, in deel III, gebaseerd op sub-configuratie validatie, wordt LES toegepast in een realistisch model van een vliegtuigcabine (met één gangpad) waarin mengventilatie met een tijdsperiodiek toevoerdebiet wordt vergeleken met het conventioneel ventileren met stationair toevoerdebiet. Twee tijdsperiodieke ventilatiestrategieën zijn getest en het potentieel om de ventilatie-efficiëntie te verbeteren is geïllustreerd.