| dc.description.abstract | I Norge sees ofte eneboliger og andre typer småhus med skrå tretak. Luftede skrå tretak med et lufthulrom under takets tekning er av betydning for å sikre tørre forhold for takkonstruksjonen og samtidig holde lav temperatur for å unngå snøsmelting på taket. Luftstrømningen som går gjennom takets ventilasjonslag er komplisert på grunn av ulike faktorer som må tas i betraktning, for eksempel naturlig konveksjon indusert av temperaturforskjellen mellom isolasjonsoverflaten og taktekkingen, takvinkelen på taket, overflateruheten av steinlekter osv. For å få en bedre forståelse av strømningsforholdene i lufthulromet til skrå tretak og for å forbedre ytelsen til det luftede taket, for eksempel ved lav strømningsmotstand, utforsker denne avhandlingen oppførselen til luftstrømningen ved hjelp av Computational Fluid Dynamics (CFD) simuleringer.
Basert på en laboratoriemodell som er utviklet og testet eksperimentelt ved NTNU og SINTEF Byggforsk, er mer enn 40 CFD-simuleringer designet og utført i det nåværende arbeidet. Både horisontal og stigende kanalstrømning studeres både uten og med steinlekter, og viktige faktorer som kan påvirke trykkgradienten og strømningsfriksjonen blir undersøkt. I simuleringene er strømningshastigheten variert fra 0,02 m/s til 0,8 m/s. Stigningsvinkelen er fra 0o til 60o. To temperaturforskjeller mellom isolasjonsoverflaten og taktekkingen, 2 K og 10 K, er studert. Dessuten undersøkes høyden på luftspalten nøye fra 0,023 m til 0,14 m. Simuleringene med et såkalt «O-block mesh» gjennomføres for forskjellige former av rundkantet steinlekter. Rundheten av steinlekten ivaretas ved å tilpasse radien til hjørnet av steinlekten, som er fra r = 0,004 m til 0,012 m.
De numeriske resultatene er i samsvar med teoretiske og eksperimentelle data, som dermed bekrefter at den numeriske tilnærmingen er pålitelig. CFD-resultatene viser at trykkgradienten reduseres monotont når luftspalten øker. På samme måte reduseres friksjonskoeffisienten og den lokale tapskoeffisienten monotont med økende luftspalte. Reduksjonen er betydelig for luftspalter fra 0,023 m til 0,048 m, og deretter avtar reduksjonsgraden fra 0,048 m til 0,14 m. På den andre siden, når det gjelder effekten av den rundkantete steinlekten, reduseres trykkgradienten monotont når rundheten øker, d.v.s. når radiusen til det runde hjørnet øker. Når det gjelder friksjonskoeffisienten og den lokale tapskoeffisienten, demper økningen av steinlektenes rundhet (radius på hjørnet til steinlekten) friksjonen og den lokale tapskoeffisienten. Reduksjonen er mest betydelig fra et rettkantet hjørne til et litt avrundet hjørne.
Oppsummert viser de numeriske funnene oppnådd i denne avhandlingen, med tanke på reduksjon av strømningsmotstanden, at å øke luftspalten er en effektiv tilnærming, som fungerer best innenfor luftspaltehøyder fra ca. 0,023 m til 0,048 m i parameterområdet vurdert i dette arbeidet. Videre er bruk av avrundede steinlekter i luftede tak en annen effektiv måte for å redusere luftstrømningsfriksjonen, eller med andre ord, for å øke strømningshastigheten under de samme strømningsforholdene. Overraskende nok fører en liten avrunding (r = 0,004 m) til en betydelig reduksjon av strømningsfriksjonen (ca. 20%). Derfor antyder dette funnet at den litt avrundede steinlekten, som er relativt enkel å produsere sammenlignet med den mest rundkantete varianten (r = 0,012 m), kan være tilstrekkelig i praktisk bruk av luftede skrå tretak. | |
| dc.description.abstract | In Norway, detached houses and other types of residential small houses with pitched wooden roofs are commonly seen. Ventilated pitched wooden roofs with an air cavity beneath the roofing are of importance for keeping dry conditions for the roof construction and keeping the low temperature to avoid snowmelt on the roof. The airflow passing through the ventilation layer of the roofs is complicated because of various factors to be considered, such as natural convection induced by the temperature difference of insulation surface and roofing, the pitch angle of the roof, the surface roughness of tile battens, etc. To have a better understanding of the flow phenomenon of the air cavity of pitched wooden roofs and to improve the performance of the ventilated pitched roof, for instance with low flow resistance, this thesis explores the airflow behavior by Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations.
Following the laboratory model that has been developed and experimentally tested in the NTNU and SINTEF Byggforsk, more than 40 CFD simulations are designed and performed in the present work. Both horizontal and pitched channel flow without and with tile battens are studied and the important factors that may affect the pressure gradient and flow friction are investigated. In the simulations, the flow speed is ranging from 0.02 m/s to 0.8 m/s. The pitch angle is from 0o to 60o. Two temperature differences between the insulation surface and roofing are chosen as 2 K and 10 K. Moreover, the height of the air gap is carefully examined from 0.023 m to 0.14 m. With the adoption of O-block mesh, the simulations with different shapes of round-edged tile battens are carried out. The roundness of tile batten is controlled by adjusting the radius of the tile batten’s corner, which is from r = 0.004 m to 0.012 m.
The numerical results are in accordance with theoretical and experimental data, which reveals that the numerical approach is reliable. The CFD results show that the pressure gradient monotonically reduces as the air gap grows. Similarly, the friction coefficient and local loss coefficient are monotonically attenuated with increasing the air gap. The reduction is significant from the air gap 0.023 m to 0.048 m and then the reduction level is weakened from 0.048 m to 0.14 m. On the other hand, regarding the effect of tile batten roundness, the pressure gradient monotonically decreases as the roundness grows, i.e. the radius of round corner increases. As for the friction coefficient and local loss coefficient, the increase of tile batten roundness (the radius of the tile batten corner) attenuates the friction and local loss coefficient. The reduction is most significant from a sharp-edged case to a slightly round-edged case.
As a summary, these numerical findings obtained in the present thesis, in the view of flow resistance reduction, show that increasing the air gap is an effective approach, which works efficiently for the air-gap height from about 0.023 to 0.048 m in the parameter-range considered in the present work. Moreover, utilizing round-edged tile battens in ventilated pitched roofs is another efficient way to reduce the airflow friction, in another word, to increase the flow rate with the same flow conditions. Surprisingly, a slight roundness (r = 0.004 m) leads to a significant reduction of flow friction (about 20%). Therefore, this finding suggests that the slightly round-edged tile batten, which is relatively easy to produce compared with the most round-edged case (r = 0.012 m), might be sufficient in practical application of ventilated pitched wooden roofs. | |
