Uitlaatpositie en CFD-analyse

Het type CFD-analyse dat nodig is om dit soort uitlaatsystemen te modelleren, hangt rechtstreeks samen met de locatie van de uitlaat. Wanneer de uitlaat zich onder de waterlijn of direct daarboven bevindt, hebben de door het schip gegenereerde golven een grote invloed op de locatie van de vlekken. In dit geval is één scenario vaak voldoende om de invloed van de uitlaatgassen op de vlekken op de romp te bepalen. Deze simulaties bestaan uit twee stappen, waarbij eerst de golven rond de romp worden opgelost met behulp van een transiënte VOF-simulatie. Een meer diepgaand artikel over dit soort simulaties vindt u hier. In de tweede stap worden de uitlaatgassen aan de simulatie toegevoegd.
Als de uitlaat zich bovenop het schip bevindt, is het type simulatie anders. In dit geval zijn de golven niet van belang voor de verspreiding van de uitlaatgassen rond het schip. De windsnelheid en -richting zijn echter wel van belang. In dit geval kan een stabiele CFD-simulatie worden uitgevoerd, waarbij de uitlaatgassen rechtstreeks aan de simulatie worden toegevoegd. Vaak moeten echter verschillende windrichtingen worden gemodelleerd om het worstcasescenario te vinden.
De simulatietijden voor schoorsteenuitlaten zijn doorgaans veel korter, omdat de vereiste stabiele simulaties minder simulatietijd vergen dan transiënte golfsimulaties (stabiel versus transiënt). Het totale aantal simulaties zal echter veel hoger zijn. Gelukkig kunnen met behulp van de automatiseringsfuncties in Simcenter STAR CCM+ de rotatie van de wind en de vereiste mes

Oplossingsmethoden

In dit hoofdstuk worden twee methoden voor het oplossen van uitlaatgassen nader toegelicht. Let wel dat dit niet de enige methoden zijn om uitlaatgassen op te lossen in Simcenter STAR CCM+.
De onderstaande afbeelding geeft een schematisch overzicht van de twee methoden voor het oplossen van uitlaatgassen in Simcenter STAR CCM+. De eerste methode maakt gebruik van een (enkele) passieve scalair. In dit geval wordt het volledige uitlaatgas ingekapseld in deze passieve scalair. De verspreiding van het uitlaatgas door het domein is afhankelijk van de ingestelde diffusiviteit van de passieve scalair en het turbulente Schmidt-getal. Deze methode vereist zeer weinig voorbewerking, aangezien één enkele passieve scalair wordt ingesteld en toegevoegd aan de inlaat binnen het domein, waar de uitlaatgassen aan het domein worden toegevoegd.
De tweede methode maakt gebruik van een gas met meerdere componenten. In dit geval wordt het gas verdeeld over de afzonderlijke uitlaatcomponenten (bijv. lucht, CO, CO2, NOx, SOx, roetdeeltjes). Elke gascomponent krijgt de bijbehorende materiaaleigenschappen en de juiste massafractie (of molfractie) binnen het meercomponenten gas. Deze methode vereist dus veel meer voorbewerking, omdat voor elke component de juiste waarden moeten worden toegevoegd. De verspreiding van het uitlaatgas is dan afhankelijk van de gaseigenschappen van elk van de componenten in het uitlaatgas, waardoor de methode realistischer is.

Zodra de nabewerking begint, vereist de methode met meerdere gascomponenten veel minder werk, aangezien elk van de gascomponenten al als veldfunctie in de simulatie is opgenomen. Aan de andere kant vereist de passieve scalaire methode veel meer nabewerkingstijd, omdat het juiste percentage van het totale uitlaatgas dat elke component (lucht, CO2, CO, NOx, SOx, roet) met zich meebrengt, bekend moet zijn en binnen een veldfunctie moet worden toegevoegd voordat de afzonderlijke componenten kunnen worden gevisualiseerd. Als echter alleen het algemene gedrag van het uitlaatgas nodig is, levert de passieve scalaire methode een veel sneller resultaat op, omdat er geen informatie over de afzonderlijke componenten nodig is.

Voorbeeld

Om de verschillen tussen de twee methoden te demonstreren, hebben we een testcase gemaakt. De testcase bestaat uit de hydrograaf (of pakjesboot). In deze simulatie zijn er twee uitlaatkanalen aanwezig (zoals weergegeven in rood in figuur 1), evenals vier cabine-inlaten. Het is ongewenst dat er uitlaatgassen in de cabine terechtkomen, daarom zijn we geïnteresseerd in hoeveel van onze uitlaatgassen de inlaten van de cabine bereiken.
Figuur 1: cabine-inlaten en uitlaatopeningen op de hydrograaf

Elke cabine-inlaat heeft een luchtinlaat van 2 kg/s, terwijl elk van de twee uitlaten een snelheid van 1,28 m/s en een uitlaattemperatuur van 300 °C heeft. Een atmosferische grenslaag zorgt ervoor dat de windsnelheid rond het schip correct wordt gemodelleerd, waarbij de windsnelheid wordt genomen als 3,5 m/s, met een hoek van 30° (merk op dat dit een combinatie is van de snelheid van het schip en de windsnelheid die onder een hoek komt). Deze hoek stelt ons in staat om te bepalen welke uitlaatgassen via de twee inlaten aan stuurboordzijde de cabine binnenkomen (weergegeven in licht- en donkerpaars in figuur 2).
Hoewel deze simulatie, zoals hierboven beschreven, in stabiele toestand kan worden uitgevoerd, hebben we besloten dit voor dit voorbeeld niet te doen. Deze beslissing is genomen om niet alleen de evenwichtssituatie voor zowel de passieve scalaire als de meercomponenten gas te kunnen vergelijken, maar ook om het gedrag van beide methoden in de loop van de tijd te kunnen bepalen.

Figuur 2: relevante cabine-inlaten

In figuur 3 worden de resultaten van de simulatie weergegeven voor zowel de passieve scalaire methode als de multicomponentgasmethode. In figuur 3 (boven) wordt de totale hoeveelheid CO2 weergegeven die in de loop van de tijd in de cabine stroomt. Deze tabel geeft aan dat de totale hoeveelheid CO2 die de cabine binnenkomt binnen de eerste 20 seconden de veilige waarden ruimschoots overschrijdt, maar daarna aanzienlijk afneemt. Merk op dat deze tabel de toegevoegde hoeveelheid CO2 weergeeft ten opzichte van een basiswaarde van 0. Aangezien de basishoeveelheid CO2 in de lucht al ongeveer 400 ppm bedraagt, moet deze waarde aan de tabel worden toegevoegd om correct te kunnen concluderen of er een onveilige werkomgeving is ontstaan.
Deze tabel geeft aan dat als het schip begint te varen met een windsnelheid van 3,5 m/s onder een hoek van 30°, waarna de windsnelheid afneemt terwijl het schip in snelheid toeneemt om de hoek van 30° te behouden, deze grafiek een goede indicatie geeft van het klimaat in de cabine. Na een minuut neemt de totale hoeveelheid CO2 in de cabine nog steeds af, wat betekent dat zodra het schip een constante snelheid bereikt, het klimaat in de cabine voldoende is om er mensen te laten verblijven.
In figuur 3 (midden) en figuur 3 (onder) wordt de totale hoeveelheid van de andere uitlaatgascomponenten voor beide simulatiemethoden weergegeven. Uit deze grafieken kan worden geconcludeerd dat de passieve scalaire methode de piekwaarden van de uitlaatgassen die de cabine binnenkomen te laag inschat. Na een minuut zijn de waarden die met de passieve scalaire methode worden gevonden echter gelijk aan de waarden die met de multicomponentgasmethode worden gevonden. Daarom kan worden geconcludeerd dat als een evenwichtswaarde nodig is, beide methoden even goed werken. Als piekwaarden echter erg belangrijk zijn, is de multicomponentgasmethode beter.

Figuur 3: CO2 dat de cabine-inlaten binnenstroomt (boven), uitlaatgascomponenten die de stuurboord achtercabine-inlaat binnenstromen (midden), uitlaatgascomponenten die de stuurboord voorcabine-inlaat binnenstromen (onder).

In figuur 4 wordt het verschil tussen het multicomponentgas en de passieve scalaire grootheid op de inlaathoogte weergegeven. Het verschil in CO2 op deze hoogtes en dit gesimuleerde tijdstip is zeer gering.

Figuur 4: CO2-waarden op de hoogte van de cabine-inlaat na een minuut gesimuleerde tijd

Conclusie

Kortom, als u geïnteresseerd bent in de piekwaarden van uitlaatgassen in de loop van de tijd op bepaalde plaatsen op het schip, kunt u het beste een multicomponentgas gebruiken. Bovendien is de multicomponentgasmethode ook beter als u geïnteresseerd bent in de specifieke gascomponenten. Dit komt omdat het vooraf meer werk kost, maar na verwerking minder foutgevoelig is, aangezien alle gascomponentinstellingen zijn vastgelegd. De passieve scalaire methode is veel sterker in stabiele simulaties of (lange) transiënte simulaties waarbij alleen het algemene gedrag van het uitlaatgas van belang is.