Comparison of stationary and transient RANS modelling - Spatial velocity field of a ceiling integrated fan

Ceiling fans allow an increase of the local air velocity on the human body. The associated heat transfer increases user's temperature tolerance in warm environments.
In the presented study, the differences in the application of statistical turbulence models (RANS) for modelling the air flow induced by a ceiling integrated fan is outlined with particular focus on comparing steady and transient simulations. Results of a CFD simulation (Fluent) are shown and compared with measured data of the horizontal velocity distribution.
The study shows that especially the transient simulation using the Realizable k-&egr; model shows a stable convergence behaviour regarding the residuals as well as target values. But at 1.1 m above the floor, the mean absolute error of the transient simulation is larger compared to the stationary model using the Multiple Reference Frame (MRF) approach. Despite the stationary model produces an unrealistic velocity distribution in the immediate vicinity of the fan, if the moving zone needs to be small due to obstacles. For a freely suspended ceiling fan, the moving zone can be adjusted accordingly and the flow pattern can be improved. But modelling a ceiling integrated fan with a fan housing and obstacles in the near region, transient simulations using rigid body motion are required for accurate results.

Vergleich stationärer und transienter RANS-Modellierung zur Analyse der räumlichen Geschwindigkeitsverteilung unter Anwendung deckenintegrierter Ventilatoren
Deckenventilatoren ermöglichen eine Erhöhung der lokalen Luftgeschwindigkeit am menschlichen Körper. Durch die damit verbundene Wärmeabfuhr steigt die Nutzertoleranz gegenüber warmen Umgebungen.
In dieser Studie wird die Anwendung statistischer Turbulenzmodelle (RANS) zur Modellierung der durch deckenintegrierte Ventilatoren induzierten Luftströmung dargestellt. Ein besonderer Fokus wird hierbei auf den Vergleich zwischen stationärer und transienter Simulation gesetzt. Die Ergebnisse der CFD-Simulation (mittels Fluent) werden mit Messergebnissen der horizontalen Geschwindigkeitsverteilung verglichen.
Die Studie zeigt, dass die transiente Simulation mittels Realizable k-&egr; Modell zwar ein stabiles Konvergenzverhalten sowohl seitens der Residuen, als auch der Zielwerte aufzeigt, im Vergleich zur stationären Berechnung jedoch der mittlere absolute Fehler in 1,4 m Entfernung zum Ventilator größer ist, obwohl die stationäre Modellierung mittels des Multiple Reference Frame (MRF)-Verfahrens ein nicht physikalisch begründbares Geschwindigkeitsfeld in der unmittelbaren Umgebung des Ventilators hervorruft. Die Ursache dafür, dass die stationäre Lösung mittels MRF nicht konvergiert, ist auf die räumliche Begrenzung der rotierenden Zone zurückzuführen, so wie es bei deckenintegrierten Ventilatoren durch das Ventilatorgehäuse der Fall ist. Demgegenüber bei frei im Raum hängenden Ventilatoren die rotierende Zone entsprechend adaptiert und das Konvergenzverhalten verbessert werden kann.