Investigation of air flow in large diameter ceiling fans used in agriculture with computational fluid dynamics

Year 2022, , 147 - 160, 30.03.2022

Vedat Demir , Tuncay Günhan , Hamdi Bilgen

https://doi.org/10.20289/zfdergi.943702

Abstract

Objective: The objective of this study was to determine the air movements of the ceiling fan with two different rotation circle diameter by using Computational Fluid Dynamics (CFD) method and select the most suitable turbulence model.
Material and Methods: In the first stage, the air velocity changes in the axial direction of ceiling fans at certain distances from the fan center were measured. For this purpose, two different heights (1.0 and 1.5 m) from the ground were taken into account. In the second step, the values calculated by the computational fluid dynamics analysis method using different turbulence models were compared with the measurements.
Results: The results were evaluated statistically. The lowest MAE and NRMSD values were found by using the Spalart Allmaras and SST k- models for fan with a 4 m rotation circle diameter, and the SST k- model for fan with a 5 m rotation circle diameter. Based on the graphical comparisons, it can be stated that the SST k- model made slightly better estimations than the other models.
Conclusion: The solution approaches of the CFD simulation models were found to be close to each other. The appropriate selection of the turbulence model and considering the well-designed mesh structure, it has been shown that estimates that are very close to experimental data can be obtained by CFD simulation at certain heights above the ground.

Keywords

CFD, turbulence models, ventilation fan, air movement

Tarımda kullanılan büyük çaplı tavan tipi vantilatörde hava akışının hesaplamalı akışkanlar dinamiği ile incelenmesi

Abstract

Amaç: Bu çalışmada iki farklı dönme dairesi çapına sahip tavan tipi vantilatörün hava hareketlerinin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yöntemiyle ortaya konulması ve en uygun türbülans modelinin belirlenmesi amaçlanmıştır.
Materyal ve Yöntem: İlk aşamada, tavan tipi vantilatörlerin fan merkezinden belirli uzaklıklardaki eksenel yöndeki hava hızı değişimleri ölçülmüştür. Bu amaçla zeminden iki farklı yükseklik (1.0 ve 1.5 m) dikkate alınmıştır. İkinci aşamada farklı türbülans modelleri ile hesaplamalı akışkanlar dinamiği analiz yöntemiyle hesaplanan değerler, ölçüm değerleri ile karşılaştırılmıştır.
Araştırma Bulguları: Sonuçlar istatistiksel olarak değerlendirildiğinde, en düşük MAE ve NRMSD değerleri 4 m dönme dairesi çapı için Spalart Allmaras ve SST k- modellerinde, 5 m dönme dairesi çapı için SST k- modelinde bulunmuştur. Grafik karşılaştırmalar incelendiğinde SST k- modelinin diğer modellere göre az da olsa daha iyi tahminlemeyi gerçekleştirdiği görülmektedir.
Sonuç: HAD simülasyon modellerinin çözüm yaklaşımları birbirine oldukça yakın bulunmuştur. Türbülans modelinin uygun seçimi ve iyi yapılandırılmış ağ yapısı ile zeminden belirli yükseklikteki noktalarda HAD simülasyonu ile deneysel verilere çok yakın tahminlerin elde edilebileceği ortaya konulmuştur.

Keywords

HAD, türbülans modeller, havalandırma fanı, hava hareketi

References

• Adeeb, E., A. Maqsood & A. Mushtaq, 2015. Effect of number of blades on performance of ceiling fans. MATEC Web Conferences 28 (2015) 02002. http://doi.org/10.1051/matecconf/20152802002
• ANSYS, 2016. Fluent Theory Guide, Release 17.2, ANSYS, Inc.
• ASAE Standard, 2016. ASAE EP566.2 JUN2012 (R2016), Guidelines for Selection of Energy Efficient Agricultural Ventilation Fans, ASAE Standards. ASAE, St. Joseph, MI 49085.
• Babich, F., M. Cook, D. Loveday, R. Rawal & Y. Shukla, 2017. Transient three-dimensional CFD modelling of ceiling fans. Building and Environment, 123: 37-49. http://dx.doi.org/10.1016/j.buildenv.2017.06.039
• Bassiouny, R. & N.S. Korah, 2011. Studying the features of air flow induced by a room ceiling-fan. Energy and Buildings, 43: 1913-1918. https://doi:10.1016/j.enbuild.2011.03.034
• Casey, K.D., R.S. Gates, E.F. Wheeler, H. Xin, Y. Liang, A.J. Pescatore & M.J. Ford, 2008. On-farm ventilation fan performance evaluations and implications. The Journal of Applied Poultry Research, 17: 283–295. https://doi:10.3382/japr.2006-00055
• Casseer, D., & C. Ranasinghe, 2019. Assessment of Spallart Almaras turbulence model for numerical evaluation of ceiling fan performance. Moratuwa Engineering Research Conference (MERCon), 577-582.
• Chen, W., S. Liu, Y. Gao, H. Zhang, E. Arens, L. Zhao & J. Liu, 2018. Experimental and numerical investigations of indoor air movement distribution with an office ceiling fan. Building and Environment, 130: 14-26. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2017.12.016
• Ding, C., K.P. Lam & W. Feng, 2017. An evaluation index for cross ventilation based on CFD simulations and ventilation prediction model using machine learning algorithms. Procedia Engineering, 205: 2948–2955. https://doi:10.1016/j.proeng.2017.10.112
• Genç, S., 2018. Holstein sığırlarda klasik ölçüm metodu ve sabit nesne fotoğraf tekniği ile vücut ölçülerinin karşılaştırılması. Black Sea Journal of Engineering and Science 1(3): 89-97.
• Kaya, A. & İ. Kaya, 2018. "Süt Sığırcılığında Bazı Yetiştirme Uygulamaları, 265-309". In: Süt Sığırcılığı (Eds. A. Kaya, İ. Kaya & C. Uzmay). Ege Üniversitesi, 383 pp.
• Koç, A. & N. Akman, 2007. Siyah-alaca tosunların değişik dönemlerdeki vücut ölçüleri ve vücut ölçülerinden canlı ağırlığın tahmini. ADÜ Ziraat Fakültesi Dergisi, 4(1-2): 21-25.
• Momoi, Y., K. Sagara, T. Yamanaka & H. Kotani, 2004. Modeling of ceiling fan based on velocity measurement for CFD simulation of airflow in large room. Journal of Environmental Engineering (Transactions of AIJ). https://doi: 10.3130/aije.70.41_3
• Momoi, Y., K. Sagara, T. Yamanaka & H. Kotani, 2007. “Modeling of prescribed velocity generated by ceiling fan based on velocity measurement for CFD simulation, 1141-1150”. Proceedings of 10th International Conference on Air Distribution in Rooms-Roomvent 2007, Vol.1 (13-15 June 2007, Helsinki, Finland), The Finnish Association of HVAC Societies FINVAC ry, 1289 pp.
• Mutaf, S., 2012. Mühendislik Yaklaşımı İle Hayvan Barınaklarında İklimsel Çevre ve Denetim İlkeleri. Gıda Tarım ve Hayvancılık Bakanlığı, Tarım Bilim Serisi Y.No:1, 895 s.
• Raftery, P., J. Fizer, W. Chen, Y. He, H. Zhang, E. Arens, S. Schiavon, & G. Paliaga, 2019. Ceiling fans: Predicting indoor air speeds based on full scale laboratory measurements. Building and Environment, 155: 210-223. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2019.03.040
• Yaylak, E., Y. Konca & N. Koyubenbe, 2015. "Damızlık sığır yetiştiricileri birliği üyesi işletmelerde yetiştirilen farklı yaşlardaki dişi siyah alaca sığırların vücut ölçüleri, Poster Bildiri, 913". 9. Ulusal Zootekni Bilim Kongresi (3-5 Eylül 2015, Konya) Aybil Dijital Baskı, Konya, 958 s.
• Zhu, S., J. Srebric, S.N. Rudnick, R.L. Vincent, & E.A. Nardell, 2014. Numerical modeling of indoor environment with a ceiling fan and an upper-room ultraviolet germicidal irradiation system. Building and Environment, 72: 116-124. http://dx.doi.org/10.1016/j.buildenv.2013.10.019