Les systèmes HVAC font plus que fournir l’air doux et frais qui circule lorsque les températures extérieures montent. Dans ces systèmes, l’air passe au travers de filtres pour assurer une qualité d’air élevée. Face à cet enjeu de pureté de l’air, la modélisation et la simulation sont utilisées pour acquérir une compréhension approfondie des phénomènes physiques sous-jacents au comportement de l’air traversant un filtre…
Modéliser un filtre à air
Les filtres des systèmes HVAC sont constitués de matériaux (souvent des fibres de verre ou du coton) capable de filtrer l’air et de capturer des particules telles que des poussières, pollens ou bactéries. Ces matériaux influencent l’écoulement d’air, captant des particules indésirables tout en laissant passer l’air filtré. Modéliser ces systèmes et les écoulements turbulents qu’ils produisent permet de déterminer l’efficacité de différents matériaux avant d’investir dans des expérimentations réelles.
Dans cet article de blog, nous prendrons pour exemple la géométrie d’un filtre à air courant (illustré ci-dessous).
Géométrie du modèle montrant la section d’entrée et la section de sortie plus longue avec le filtre à air placé entre deux. La géométrie du filtre a un maillage plus dense que les domaines fluides ouverts.
Pour modéliser ce filtre à air, tout commence avec le Module CFD, un add-on à la plateforme de simulation COMSOL Multiphysics®, qui permet aux utilisateurs de créer des modèles de turbulence RANS (Reynolds-averaged Navier–Stokes) dans des milieux libres et poreux. Dans cet exemple, le filtre à air est modélisé comme un domaine très poreux avec 90% du matériau constitué de pores cylindriques d’un diamètre de 0.1 mm. Le support du filtre à air est représenté par un cadre avec des parois sans glissement. Pour cet exemple, nous avons utilisé l’interface Ecoulement turbulent, k-ω du fait de sa précision pour des modèles avec un grand nombre de parois, y compris des parois sans glissement. (Une description plus approfondie de la configuration du modèle est disponible dans sa documentation, accessible via le bouton présent à la fin de cet article de blog.)
Evaluer les résultats
La résolution du modèle permet de visualiser les variations de turbulence, de vitesse et de pression lorsque l’air arrive sur le filtre, passe à travers, et en sort. Le calcul démarre avec l’air se déplaçant vers le filtre (en violet sur l’image ci-dessous). Lorsque l’air passe à travers le filtre, la vitesse interstitielle augmente (même si la vitesse moyennée sur les pores reste constante), ce qui entraîne une augmentation de l’énergie cinétique turbulente. Il y a en outre une chute brutale de la pression liée à l’augmentation de la vitesse, des frottements et des pertes de pression, qui s’expliquent par le nombre élevé de parois. Pour ce qui est du comportement de l’air lorsqu’il s’éloigne du filtre, le châssis du filtre empêche l’air de se déplacer librement, provoquant à la place des sillages d’air en aval.
La pression décroît significativement lors du passage à travers le filtre à air poreux.
La visualisation de l’air traversant le filtre peut être utilisée pour déterminer si le filtre élimine ou non les contaminants de l’air. Pour confirmer cette conclusion, on peut évaluer la solution avec différents graphiques en coupe. L’un des graphiques de coupe de cet exemple indique que la vitesse de l’air est surtout influencée par le filtre à air poreux et le châssis, et qu’elle s’homogénéise dans la zone de sillage. Un graphique de coupe mesurant l’énergie cinétique turbulente montre que celle-ci forme un pic important au sein du filtre à air et atteint des valeurs classiques au niveau des parois sans glissement.
De façon générale, le modèle indique une chute de pression et une augmentation drastique de la turbulence à l’intérieur du filtre, générant des perturbations de la vitesse dans la direction perpendiculaire à la direction principale de l’écoulement, ce qui augmente également la probabilité que les particules entrent en collision avec les parois des pores et y restent. En d’autres termes, l’augmentation de la turbulence fournit le degré de mélange nécessaire à la filtration des particules indésirables, qui dans le cas contraire s’écouleraient dans les pores sans être affectées.
Un graphique en coupes sur lesquelles est affichée l’énergie cinétique turbulente. Le niveau de turbulence est nettement plus élevé dans le filtre à air poreux que dans l’écoulement libre ou aux abords des parois de la conduite.
Lancez-vous!
Vous souhaitez modéliser un exemple de filtre à air vous-même? Le fichier MPH et les instructions pas-à-pas sont disponibles dans la Bibliothèque d’applications:
Pour aller plus loin
Dans cet article de blog, nous nous sommes concentrés sur l’écoulement turbulent dans des filtres à air, mais les modèles de turbulence peuvent également être utilisés pour décrire le climat intérieur, la ventilation, et les systèmes d’air conditionné. Explorez davantage de scénarios de modélisation impliquant des écoulements turbulents dans le Blog COMSOL:
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