ANSYS-FLuent, para el Análisis de la Ventilación … · ANSYS-FLuent, para el Análisis de la...
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ANSYS-FLuent, para el Análisis de la Ventilación Natural en
Invernaderos Típicos de México. (Mallasombra, Baticenital y batitúnel)
Universidad de Almería
Jorge Flores-Velázquez, Federico Villarreal G., José L. Lara M. y Abraham Rojano A.
• Mejorar el conocimiento sobre la ven3laciónnatural en los principales modelos deinvernaderos usados en México y con ellocontribuiramejorarsuges3ónydiseño.
• Establecerhipótesisquepermitanmejorasenlages3ón de la ven3lación para reducir el excesotérmicoyunadistribuciónmashomogénea.
9
FormulacióndiferencialEcuacióndecon3nuidad:
Para
Ecuacióndemomento:
Para
Ecuacióndeenergía:
Si
1=φ
iu=φ
)(entalpiah=φ
ui es el componente de la velocidad en la dirección-i (m s-1) xi indica el flujo en la dirección-i ρ es la densidad del fluido (kg m-3) P es la presión (Pa)
h representa la entalpía del fluido (J kg-1) k es el coeficiente de conductividad del aire (W m-1 K-1) T es la temperatura absoluta del fluido (°K) µ es la viscosidad molecular del fluido (kg s-1 m-1) gi es cualquier campo de aceleración, en este caso la aceleración de la gravedad en la dirección i (m s-2).
10
Solver: Interpolación
Método de discretización
Volumen finito
Algoritmo de resolucion PISO (Pressure Implicit with Splitting of
Operators)
Volumen de control
φ = ρ (x,y,z,t)
11
Mallasombradegrandesdimensiones,coneltechoplanodimensiones110x245m(anchoxlargo)concubiertademallaporosa.Techo arqueado con ventana cenital y lateral (baticenital). Dimensiones 110x90 m (ancho x largo) cubierta plástica con ventilación cenital.
Invernadero Multitúnel sin ventilación cenital. Con dimensiones de 110x90 m (ancho x largo) cubierta plástica con ventilación lateral.
Primero se llevo a cabo la construcción de la geometría y mallado del volumen del invernadero, luego el volumen exterior, el tamaño de las
celdas en la construcción de las mallas, fue de 0.5 en la dirección "x" y "z" y 0.25 en la dirección "y", dando como resultado el siguiente numero
de celdas para cada caso
invernadero No. de Celdas Máxima deformación Casa sombra de techo plano Cenital en batería
Túnel en batería
998 228 866 011 448 954
0.58 0.66 0.67
Invernadero Dimensiones del invernadero
Dimensiones del dominio exterior
Dimensiones de la zona de cultivo
Casa sombra de techo plano Cenital en batería Túnel en batería
245x55x4 90x55x6.9 90x25x6.3
735x165x58 270x105x90 270x90x75
243x54x2.5 88x54x3 88x24x3
14
Proceso: Procedimiento de solución
Serie de parámetros y condiciones de contorno
Se inicializa la solución
Se activan los monitores de interés
Calculo de la solución
Se checa la convergencia
Verifica la precisión
Modificar parámetros de la
solución o mallado
Si
Si
Caso Resuelto
No
No
Hipótesis de simulación Solver Condición de tiempo Modelo de viscosidad Ecuación de energía Formulación de poros Opción de los gradientes
Segregado, 3-D Simulación, Formulación Implícita, Velocidad Absoluta, Análisis de estado Estacionario, (segundo orden) Estándar K-ε de dos ecuaciones Efecto de flotación activado y tratamiento estándar en las paredes Activada Velocidad superficial Basado en la celda Características de contorno
Dominio entrada Dominio Salida Velocidad del viento Tratamiento de medios porosos Fuente de calor
Velocidad inlet, Momentum, ortogonal a la frontera, Turbulencia, intensidad e incremento en la viscosidad Pressure outlet, Presión cero y misma condición de turbulencia Perfil Constante Malla: Porous jump Cultivo: Porous zone Constante desde el suelo, hipótesis de Boussinesq y activado el efecto de flotación en el modelo de turbulencia
Propiedades físicas Propiedad (unidades) Aire (T=295 ºK) Suelo Polietileno Densidad, (kg m-3) Calor especifico, (J kg-1 ºK-1) Conductividad térmica, (W m-2 ºK-1) Coeficiente de expansión térmica (ºK-1)
1.225 1006.43 0.0242 0.003389
1400 1738 1.5
920 1900 0.3
16
)( 2UKCU
KS F ρ
µ+−=Φ
Coeficiente de descarga no lineal
Permeabilidad intrínseca
2UCLADS D ρ−=Φ
Cultivo (Thom, 1971 ; Bruse, 1998)
Coeficiente de descarga (drag) del cultivo
0,32=DCHaxaire (1999)
DF CLADKC
=
Simulación de las fuerzas de arrastre inducidas por las mallas y el cultivo
Densidad de área foliar
Tratamiento como un medio poroso mediante la aproximación Darcy Forchhemeir
19
AnálisisdeVelocidades
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 30 60 90 120 150 180 210 240Longitud de la mallasombra (m)
V V
norm
aliza
da (U
in/U
ex)
M1 M2M3 M4
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0 30 60 90 120 150 180 210 240Longitud de la malla sombra (m)
VV
nor
mal
izado
(Uin
/Uex
) M2&1
M3&1
Sin cultivo
20
Flujosdeairequeocurreneneltechoenfuncióndelaporosidaddelamalla
Malla1
0
50
100
150
200
250
300
V1 V2 V3 V4 V5Vel. Viento exterior (m s-1)
Fluj
o de
mas
a (k
g s-
1)
M1
M3
21
Distribuciónespacialdetemperaturasa1mdealtura;Mallasombrasincul-vo
Malla1
Malla3
K
VV Ext 3 m s-1
VV Ext 3 m s-1
24
Velocidadesdelvientointernopromedionormalizadosincul3vo
Cenitales de espalda al viento
Cenitales de espalda al viento + laterales
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90Perfil Longitudinal (m)
VV
Int N
orm
(Uin
t/Uex
t) 1 m2 m
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90Perfil Longitudinal (m)
VV
Int N
orm
(Uin
t/Uex
t)
1m2 m
25
Perfilvectorialdevelocidaddeviento
A) Cenitales abiertas de frente al viento
C) Cenitales abiertas de frente al viento y laterales abiertas
B) Cenitales abiertas de espalda al viento
D) Cenitales abiertas de espalda al viento y laterales abiertas
VV Ext 3 m s-1
26
Invernaderovacío:distribuciónespacialdetemperaturas(K)a1m
dealtura
Cenitales abiertas de
frente
Cenitales abiertas de espalda
VV Ext 3 m s-1
VV Ext 3 m s-1
30
Sincul3vo
0
50
100
150
200
250
1 2 3 4 5
VV Exterior (m s-1)
Fluj
o de
mas
a (k
g s-1
)
INOUT
0
50
100
150
200
250
1 2 3 4 5
VV Ext (m s-1)
Flij
o de
mas
a (k
g s-1
)
INOUT
Lateral
Lateral +Frontal.
V V m s-1
32
Distribuciónespacialdetemperaturas:sincul3vo
Ventana lateral abierta
Ventana lateral + frontal abierta
VV Ext 3 m s-1
ºK
34
Mallasombra
Baticenital Se ha insistido en la importancia de reducir la anchura a valores no mayores de 50 m para
tener homogeneidad climática. Tan importante como la captación es el favorecer la salida del aire por el extremo opuesto del invernadero, por tanto es preciso simular el efecto de la salida del aire y el de abrir o cerrar alguna de las ventanas del techo en función del viento exterior, para evitar el
fenómeno observado de que el aire entrante por la primera ventana salga por la segunda sin mezclarse con el aire del invernadero.
Comentarios Finales La superficie de estas estructuras no plantea problemas en cuanto a la ventilación, pues el techo permite mayor intercambio de aire. Por tanto no cabe esperar mejora considerable al reducir su tamaño. Sería interesante analizar el efecto de la altura de la Mallasombra en el clima interno,
sobre todo cuando esta contiene un cultivo plenamente desarrollado.
Multi tunel Por su reducido coste puede ser un invernadero válido para una horticultura que no
cubra todo el ciclo productivo. Así mismo en zonas de temperaturas máximas muy moderadas puede ser una alternativa válida, actuando también como cortavientos y protección ante la lluvia.
La mejora básica pasa por reducir su tamaño y aumentar su altura.