Ilmavirtausten laskennallinen mallinnus

Diplomityössä tutkitaan kolmea erilaista virtausongelmaa CFD-mallinnuksella. Yhteistä näille ongelmille on virtaavana aineena oleva ilma. Lisäksi tapausten perinteinen mittaus on erittäin vaikeaa tai mahdotonta. Ensimmäinen tutkimusongelma on tarrapaperirainan kuivain, jonka tuotantomäärä halutaan nostaa kaksinkertaiseksi. Tämä vaatii kuivatustehon kaksinkertaistamista, koska rainan viipymäaika kuivausalueella puolittuu. Laskentayhtälöillä ja CFD-mallinnuksella tutkitaan puhallussuihkun nopeuden ja lämpötilan muutoksien vaikutusta rainan pinnan lämmön- ja massansiirtokertoimiin. Tuloksena saadaan varioitujen suureiden sekä massan- ja lämmönsiirtokertoimien välille riippuvuuskäyrät, joiden perusteella kuivain voidaan säätää parhaallamahdollisella tavalla. Toinen ongelma käsittelee suunnitteilla olevan kuparikonvertterin sekundaarihuuvan sieppausasteen optimointia. Ilman parannustoimenpiteitä käännetyn konvertterin päästöistä suurin osa karkaa ohi sekundaarihuuvan. Tilannetta tutkitaan konvertterissa syntyvän konvektiivisen nostevirtauksen eli päästöpluumin sekä erilaisten puhallussuihkuratkaisujen CFD-mallinnuksella. Tuloksena saadaan puhallussuihkuilla päästöpluumia poikkeuttava ilmaverho. Suurin osa nousevasta päästöpluumista indusoituu ilmaverhoon ja kulkeutuu poistokanavaan. Kolmas tutkittava kohde on suunnitteilla oleva kuparielektrolyysihalli, jossa ilmanvaihtoperiaatteena on luonnollinen ilmanvaihto ja mekaaninen happosumun keräysjärjestelmä. Ilmanvaihtosysteemin tehokkuus ja sisäilman virtaukset halutaan selvittää ennen hallin rakentamista. CFD-mallinnuksella ja laskentayhtälöillä tutkitaan lämpötila- ja virtauskentät sekä hallin läpi virtaava ilmamäärä ja ilmanvaihtoaste. Tulo- ja poistoilma-aukkojen mitoitukseen ja sijoitukseen liittyvät suunnitteluarvot varmennetaan sekä löydetään ilmanvaihdon ongelmakohdat. Ongelmakohtia tutkitaan ja niille esitetään parannusehdotukset.

In this master's thesis thereare three different flow problems studied with CFD modelling. Common feature for these problems is the use of air as a fluid. In addition, traditional measurement is very difficult or impossible in these problems. The first research problem is a dryer of sticker paper web of which production rate isto be doubled. This requires the doubling of drying power because the web's time in the drying area will be halved. The effect of the modification of the velocity and the temperature of the air jet on the mass and heat transfer coefficientof the paper web will be studied with equations and CFD modelling. This produces dependency curves between the modified quantities and the mass and heat transfer coefficients. The dryer can then be adjusted in the best possible way based on the information gathered from these curves. The second problem treats optimizing the capture efficiency of a secondary hood of a copper converter. Most of the gas discharge of an open converter escapes from the secondary hood without any improvements. The case is studied by modelling the convectiveflow from the converter as well as different air jet solutions with CFD. This resulted in developing an air curtain with air jets. The air curtain induces mostof the discharge gas of the rising plume and transports it to the exit channel. The third problem is about copper electro winning building which air conditioning system is based on natural ventilation and mechanical acidmist capture system. The efficiency and the air flow field of the ventilation system are to be studied before constructing the building. The temperature and the flow fields as well as the flow rate through the building and the air changes per hour are studied with CFD modelling and equations. The design criteria for the wall louvers and roof ventilators are verified and problems with the system are pointed out. These problems are studied and suggestions for improvements aremade.