Capítulo 8.- Conclusiones y formulación de protocolo simplificado.

Transcripción

1 Capítulo 8.- Conclusiones y formulación de protocolo simplificado. Por tanto, ya se han introducido, discutido y justificado cada uno de los elementos que conforman el Protocolo de cálculo CFD de coeficientes de transferencia de calor por convección en recintos, además del planteamiento y ejecución de tres aplicaciones prácticas que validan su utilización. Así, se pasa a analizar en qué grado se ha llevado a cabo la validación conseguida por la aplicación en el estudio práctico. Por otra parte, el protocolo fue planteado en los capítulos 4, 5 y 6 de una forma muy general, lo que implica que su utilización total a cada caso en particular asegura una buena resolución del problema. Sin embargo, como se ha podido observar a lo largo de todos los casos CFD planteados durante el desarrollo del presente estudio, algunos de los procesos iterativos inmersos en este protocolo generan siempre valores similares debido a que las condiciones operativas son muy parecidas en todas las viviendas. De esta manera, se realizará una recopilación de dichos valores característicos de algunas variables y se formulará un Protocolo Simplificado. Esto se realiza para mostrar una alternativa más sencilla y rápida que el Protocolo General, aunque implique un menor nivel de contrastación Conclusiones prácticas. En primer lugar, se muestra una tabla con todos los casos desarrollados durante la confección del protocolo. Capitulo Especificación Número de casos Capítulo Capítulo 2 C.L. Hidrodinámica 6 C.L. Térmica 3 Capítulo 3 Placa Plana 10 Conducto Interno 6 Capítulo 4 Modelos turbulentos 7 Capítulo Capítulo Caso 1 16 Capítulo 7 Caso 2 12 Caso 3 11 TOTAL 71 Tabla Tabla resumen de número de casos formales ejecutados durante el desarrollo del protocolo. Así, se recuerda que en los casos simples de transferencia de calor convectiva, pertenecientes al Bloque 1, estimaba el error mínimo que se le suponía a la solución numérica arrojada por el 137

2 Protocolo. En otras palabras, si el error determinado en los casos prácticos estaba por debajo de dicho valor, se debía restringir a este valor suponiendo convergencia entre soluciones, y si estaba por encima, se evaluaba en qué medida era admisible o no dicho intervalo de error. Así pues, según lo establecido previamente y los valores obtenidos en la práctica: Intervalo: De sustitución Deseado Aceptable Inaceptable Δε(%) <5% 5-10% 10-15% 15%> Caso 1. Caso 2. Tabla Se muestran los intervalos de errores de manera diferenciada: En sustitución los errores se sustituyen por el valor mínimo (5%), en Aceptable se adopta la solución por buena pero con baja calidad, en Inaceptable se invalida la solución. En cuanto a los modelos turbulentos preseleccionados en el Capítulo 4, y su correspondiente método de análisis jerarquizado, queda patente en el capítulo práctico la importancia y utilidad de implementar los tres modelos, para luego ir perfilando la solución en función de las soluciones obtenidas de cada uno. Referente al Método principal de mallado, en el primer caso práctico se compara la utilización de este con otros dos métodos de mallado alternativos. Estos incluyen un gasto computacional bastante más elevado que el (prisma-tetra), y se demuestra además que la solución ofrecida por ambos es similar (<5% diferencia). Así, se valida en su totalidad la utilización de dicho Método de mallado. En resumen, la ejecución de los casos prácticos se ha desarrollado de una manera cómoda, ordenada y directa bajo el seguimiento del Protocolo, por lo que se valida la aplicación de este a la realización de modelos CFD para viviendas Protocolo Simplificado. Para la introducción del Protocolo Simplificado se comenzarán identificando las posibles variables a introducir, ya que presentan valores característicos en todos los casos ejecutados. Sin embargo, no todas tienen por qué ser adecuadas para su introducción, o se deba estudiar su introducción bajo ciertas restricciones Variables Simplificadas Tamaño suficiente de elementos en el núcleo fluido. Si se revisa el Capítulo 7, en cada uno de los casos se concluye que un cierto tamaño de elemento tetraédrico en el núcleo fluido es suficiente para consolidar la independencia mallasolución. Además, se puede apreciar que este valor resulta ser el mismo para todos estos casos, por lo que una simplificación bastante precisa sería la de generar la malla bajo dicho valor, sin necesidad de realizar un proceso iterativo. 138

3 Escala global Elemento núcleo Elemento pared Núcleo fluido 0.4 m 0.2 m 0.1 m Tabla Tamaño definido para los elementos en el núcleo fluido de la malla Valor arbitrario de comienzo de las iteraciones para y +. El valor arbitrario que se ha impuesto como valor inicial en y para el proceso iterativo de ajuste del y + al valor deseado ha sido 0.05 m. Tras la ejecución de los Caso 1 y Caso 2, para conseguir un valor de y + igual a la unidad, los valores de y han sido: Caso 1 Δy (m) Caso 2 Δy (m) W W W W W W In_W In_W In_W W2_pri W6_pri Suelo Techo Tabla Resumen de valores de y convergidos en el Capítulo 7. Se puede observar como la solución resulta ser un orden de magnitud más bajo. Es por ello que se propone la utilización de un valor inicial de 0.01 m. De esta manera se pretende reducir el número de iteraciones a realizar Número de capas prismáticas. Como otro de los puntos fuertes de esta simplificación, queda patente que el número de nodos que debe contener la capa limite en una dirección normal a la superficie para que la representación de esta sea lo suficientemente buena que no provoque dependencia mallasolución, ha convergido siempre para el mismo valor. De esta manera, se propone la sustitución de dicho proceso iterativo, por la imposición de una malla con 10 capas prismáticas en la superficie, lo que implica a su vez, 10 nodos contenidos en capa limite. No obstante, si se quisiera estar totalmente del lado de la seguridad podrían introducirse 15 capas, aunque para esto halla que llevar a cabo procesos más profundos de mejora de calidad de malla y suavizados de malla. Con dicha imposición, se ahorrará la ejecución de uno o dos casos Modelos turbulentos y margen de error en la solución. Las simplificaciones previas estaban referidas a la generación de la malla, en la cual, los valores conseguidos durante los casos practico han sido similares en todos ellos. No obstante, no ocurre lo mismo con la discusión de una simplificación en cuanto al empleo de los diferentes modelos turbulentos. Se recomienda encarecidamente la utilización de los tres modelos turbulentos especificados, y por consiguiente, la determinación del margen de error correspondiente. 139

4 No obstante, puede darse el caso de que condiciones temporales no permitan la resolución triplicada del caso en cuestión y que a su vez, la solución arrojada no sea especialmente crítica. Bajo estas condiciones podría recomendarse la utilización del modelo k-ε Realizable ya que ha arrojado soluciones bastante precisas durante todo el estudio, y la teoría predice que tiene un mayor potencial de resolución que su variante RNG. No obstante, será necesario introducir sobre dicha solución, un margen de error igual a Δε = 10%, ya que ha sido el valor máximo establecido de error durante las aplicaciones, el cual se considerará en general suficiente Formulación del protocolo. Con todas las variables simplificadas dispuestas previamente, se procede a reformular el protocolo en una variante más simplificada. Esto se realizará mediante la inclusión del Diagrama de Flujo de mallado prisma-tetra modificado, ya que la mayoría de simplificaciones se realizan sobre él. Finalmente se incluirá el esquema de protocolo presentado en el Capítulo 6, con las modificaciones correspondientes. 140

5 Diagrama de Flujo del Algoritmo de Mallado Simplificado. (DF1_S) 1.- Valores iniciales: Malla pre-inicial: Escala global: 0.4 m Tamaño en núcleo: 0.2 m Tamaño en superficie: 0.1 m Capa prismática inicial: Tamaño: 0.1 m. Número: Generación de malla. 1. Generar malla Octree. 2. Generar malla Delauny. 3. Generar capas prismáticas. Malla generada. 5.b.- Modificación de tamaño de capa prismática. 3.- Introducción en Solver. Simulación y obtención de y + en cada superficie. 4.b.- Nueva discretización de dicha superficie. No Para cada Superficie Sí y + 1? No Δy + >20? Sí 4.a.- Solución convergida De esta manera, además de eliminar un proceso iterativo en el llamado DF1 en el Capítulo 5, se elimina por completo el DF2, el cual estaba compuesto por otros dos procesos iterativos para la convergencia del tamaño suficiente del núcleo. 141

6 PROTOCOLO DE MODELADO CFD PARA RECINTOS INTERIORES 1.a.- Datos de entrada. Geometría. Condiciones de entrada y salida. Otros. 1.b.- Objetivo de cálculo (p.ej. Coef. Película). Determina la precisión requerida en el modelo CFD (Tratamiento en pared, modelo turbulento). 2.- Generación de geometría. Modelado en software 3D (p.ej CATIA). Inclusión superficies de condiciones de contorno (p.ej. Ventanas) Alta precisión 3.a.- Selección del modelo turbulento. k-ε Realizable. y/o k-ε RNG. + k-ω SST 4.a.- Selección del tratamiento cercano al muro. Enhanced Wall Treatment (Tratamiento detallado) y + =1 (Requerido). 5.a.- Mallado. Método de mallado simplificado (prismatetra) 6.a.- Resolución (ANSYS Fluent). Determinación de condiciones de contorno. Determinar potencia de resolución. Monitorización. + Resolución Hidrodinámica/Térmica. 7.a.- Extracción de datos y contrastación. Extracción de datos necesarios. Δε ~ 10%. Se han introducido tres modificaciones: 1.- La utilización de k-ε Realizable como único modelo (si resulta inevitable). 2.- La utilización del método de mallado simplificado resumido arriba. 3.- La imposición de un margen de error del 10% si solo se resuelve el caso bajo un modelo turb. 142

7 8.3.- Líneas Futuras. La presentación de este documento intenta construir una base sólida sobre la que pueden nacer una serie de estudios en diferentes ramas. A continuación, se presentan dos orientaciones diferentes, una orientada a la mejora del presente protocolo, y otra como aplicación de base para futuros proyectos Mejora del Protocolo. El protocolo desarrollado se ha consolidado con una base bastante fundamentada, tanto teórica como experimental. No obstante, debido a la amplia variedad de posibilidades que se presentan en las herramientas CFD como ANSYS Fluent, fue necesario tomar ciertas decisiones en los primeros pasos del desarrollo que restringieron dichas opciones alternativas, posiblemente también válidas. Aunque dichas decisiones se han tomado justificadamente, también podría justificarse la utilización de estas otras alternativas, las cuales se destacan a continuación. Estudio de validez de modelos turbulentos menos conocidos (Low- Reynolds, V2F, etc.) Como ya es sabido, el estudio se cerró entorno a los modelos RANS de las familias k-ε y k-ω. Sin embargo, existen otros modelos que o bien no tienen una alta contrastación en la literatura debido a lo relativamente reciente de su implementación en CFD, o por el desconocimiento de dichos modelos. Así, podrían estudiarse los modelos como los Low Reynolds Number, v2f, LES, etc. Para analizar su viabilidad en este tipo de casos. En cuanto al tipo de mallado, desde el principio se determinó la utilización de mallado mediante parámetros globales por su relativa comodidad de operación, ya que se definen a nivel general, y la aplicación de los conocimientos transmitidos mediante un manual como este puede resultar más sencilla que otros métodos. Sin embargo, existen otras alternativas como podría ser la utilización de la técnica Blocking 3D (la 2D fue utilizada en el Bloque 1). Con esta se obtendría una malla más ordenada, lo que podría representar ciertas ventajas a nivel de control local. Optimización absoluta del número de elementos mínimos en malla. Aunque el número de elementos en la malla está relativamente optimizado, se ha tomado siempre una posición conservadora de manera que el tamaño siempre ha estado del lado de la seguridad. No obstante, podría ser objeto de estudio el análisis de la malla para encontrar el número de elementos mínimo con el que la solución obtenida tenga un error de dependencia malla-solución lo suficientemente bajo para ser admisible Aplicación como base para proyectos futuros. Una vez determinado el protocolo de la manera en la que se ha hecho en este estudio, se obtiene un documento a modo de Guía para Usuario de tal forma que el modelado de recintos se puede llevar a cabo de una manera relativamente rápida y cómoda. Esto implica que, el estudio de 143

8 técnicas como Night-Cooling o el cálculo de cargas en la edificación en casos que contuvieran componentes convectivas fuertes, las cuales podían estar ensombrecidas por la incertidumbre existente en el punto de cálculo de coeficiente de película, puedan ser estudiadas dejando atrás este problema. De tal forma que se podrán realizar análisis más profundos y certeros. Además, este documento permite un aprendizaje autodidacta por parte del lector, lo que podría facilitar la tarea en la generación de otros Proyectos abriendo así todo un abanico de nuevas posibilidades. 144