Numerical Study of Air Flow in Air Cavities for Pitched Wooden Roofs

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