HVACシステムは, 外気温が上昇したときに流れる滑らかで冷たい空気を供給するだけではありません. このようなシステムでは，高い空気品質を確保するために，空気がフィルターを通過します．きれいな空気を確保するために，モデリングとシミュレーションを使用して，フィルター内を空気が移動する際の挙動 の背後にある物理現象を深く理解することができます．
エアフィルターのモデリング
HVACシステム内のフィルターは, 空気を漉してほこり, 花粉, バクテリアなどの微粒子をキャッチすることができる素材（多くの場合, ガラス繊維や綿のひだ）に依存しています. これらの素材は空気の流れに影響を与え, 不要な微粒子を捕えると同時に, ろ過された空気を通過させます. このようなデバイスとそれが引き起こす乱流をモデリングすることで, フィルターに使用した場合の異なる素材の有効性を判断することができ, 設計者は実際の実験バージョンに投資する前に素材の選択肢を絞り込むことができます.
このブログでは, 例として一般的なエアフィルターの形状（下図）を取り上げます.
入口断面と, その間にフィルターが配置された長い出口断面を示すモデルジオメトリ. フィルタージオメトリは, 開いた流体領域よりもメッシュが密になっています.
このエアフィルターのモデリングは, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアのアドオン製品である CFD モジュール から始めます. このモジュールを使用すると, ユーザーは開いた多孔質領域でレイノルズ平均ナビエ・ストークス (RANS) 乱流モデルを作成できます. この例では, エアフィルターは, 直径 0.1 mm の円筒形の細孔が材料の 90% を占める高多孔質領域としてモデル化されています. エアフィルターのサポートは, 滑り止め壁のあるフレームで表されます. この例では, 滑り止め壁を含む多数の壁を持つモデルで精度が高いため, 乱流 (k-ω) インターフェースを使用しました. (モデル設定の詳細については, このブログの最後にあるボタンからアクセスできるモデル解説書を参照してください. )
結果の評価
このモデルを解くことで, 空気がフィルターに向かって移動し, フィルターを通り, フィルターを通過したときの乱流, 速度, 圧力の変化を可視化することができます. 計算は, 空気がフィルターに向かって移動するところから始まります (下図の紫色）. 空気がフィルターを通過するとき, (多孔質平均速度は一定のままですが）間質速度が増加し, 乱流の運動エネルギーが増加します. さらに, 速度の上昇と, 壁面の多さから生じる摩擦と圧力損失の増加により, 急激な圧力低下が発生します. フィルターから遠ざかるときの空気の挙動については, フィルターのフレームが空気の自由な動きを妨げ, 代わりに下流で空気の波が発生します.
圧力は多孔質エアフィルター全体で著しく低下.
フィルター内を移動する空気を可視化することで, フィルターが空気中の汚染物質を除去するかどうかを結論づけることができます. この結論を確認するために, さまざまなスライスプロットで解を評価することができます. この例のスライスプロットの1つは, 空気の速度が多孔質エアフィルターとフレームによって最も影響を受け, 後流領域で均一化することを示しています. 乱流の運動エネルギーを測定するスライスプロットは, 乱流の運動エネルギーがフィルター内で顕著なピークを示し, 滑りなし壁で典型的な値に達することを示しています.
一般的に, モデルは, フィルター内で圧力低下と乱流の劇的な増加を示しており, 流れの主方向に対して垂直な速度の乱れが生じ, 粒子が細孔壁に衝突してそこに留まる可能性も高まります. 言い換えると, 乱流の増加により, 望ましくない粒子を濾過するために必要な混合が実現され, そうでなければ乱されずに細孔を流れていくことになります.
乱流の運動エネルギーを示すスライスプロット. 多孔質エアフィルター内の乱流レベルは, 自由流れやダクト壁近傍よりも著しく高くなっています.
自分で試す
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参考文献
このブログでは, エアフィルター内の乱流に焦点を当てましたが, 乱流モデルは室内気候, 換気, 空調システムの記述にも使用されています. 乱流を含むその他のモデリングシナリオについては, COMSOL ブログをご覧ください：
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