ANSYS-FLuent, para el Análisis de la Ventilación Natural en Invernaderos Típicos de México.

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1 ANSYS-FLuent, para el Análisis de la Ventilación Natural en Invernaderos Típicos de México. (Mallasombra, Baticenital y batitúnel) Jorge Flores-Velázquez, Federico Villarreal G., José L. Lara M. y Abraham Rojano A. Jorge.velazquez@uaslp.m Universidad de Almería

2 INTRODUCCION

3 Ventajas de la Ven3lación Natural Verano Invierno 3

4 Análisis de la ven-lación: Tasa de renovación 10 m 3 s m 3 s -1 4

5 Análisis de la ven-lación: Computa3onal Fluid Dynamics (CFD) 5

6 OBJETIVO

7 Mejorar el conocimiento sobre la ven3lación natural en los principales modelos de invernaderos usados en México y con ello contribuir a mejorar su ges3ón y diseño. Establecer hipótesis que permitan mejoras en la ges3ón de la ven3lación para reducir el exceso térmico y una distribución mas homogénea.

8 MATERIALES Y METODOS

9 Formulación diferencial Ecuación de con3nuidad: Para φ = 1 Para Ecuación de momento: φ = u i Si φ = h Ecuación de energía: (entalpia) u i es el componente de la velocidad en la dirección-i (m s-1 ) x i 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 ) g i es cualquier campo de aceleración, en este caso la aceleración de la gravedad en la dirección i (m s -2 ). 9

10 Método de discretización Solver: Interpolación Volumen finito Volumen de control Algoritmo de resolucion PISO (Pressure Implicit with Splitting of Operators) φ = ρ (x,y,z,t) 10

11 Mallasombra de grandes dimensiones, con el techo plano dimensiones 110x245 m (ancho x largo) con cubierta de malla porosa. 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. 11

12 12 ETAPAS CFD

13 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 Casa sombra de techo plano Cenital en batería Túnel en batería Dimensiones del invernadero 245x55x4 90x55x6.9 90x25x6.3 Dimensiones del dominio exterior 735x165x58 270x105x90 270x90x75 Dimensiones de la zona de cultivo 243x54x2.5 88x54x3 88x24x3 invernadero No. de Celdas Máxima deformación Casa sombra de techo plano Cenital en batería Túnel en batería

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 Si Se checa la convergencia Verifica la precisión Modificar parámetros de la solución o mallado No Si Caso Resuelto No 14

15 Solver Condición de tiempo Modelo de viscosidad Ecuación de energía Formulación de poros Opción de los gradientes Dominio entrada Dominio Salida Velocidad del viento Tratamiento de medios porosos Fuente de calor Hipótesis de simulación 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 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 )

16 Simulación de las fuerzas de arrastre inducidas por las mallas y el cultivo Tratamiento como un medio poroso mediante la aproximación Darcy Forchhemeir Permeabilidad intrínseca µ C S ( U F Φ = + ρu K K 2 ) Coeficiente de descarga no lineal Cultivo (Thom, 1971 ; Bruse, 1998) S Φ = LAD C D ρ U 2 Densidad de área foliar Coeficiente de descarga (drag) del cultivo Haxaire (1999) C D = 0,32 C F = K LADC D 16

17 ANALISIS DE LOS RESULTADOS

18 RESULTADOS: Mallasombra

19 Sin cultivo Análisis de 0.8 V V normalizada (Uin/Uex) M1 M3 M2 M Longitud de la mallasombra (m) Velocidades VV normalizado (Uin/Uex) M2&1 M3& Longitud de la malla sombra (m) 19

20 Flujos de aire que ocurren en el techo en función de la porosidad de la malla 300 Flujo de masa (kg s-1) M1 M V1 V2 V3 V4 V5 Vel. Viento exterior (m s-1) Malla1 20

21 Distribución espacial de temperaturas a 1 m de altura; Mallasombra sin cul-vo VV Ext 3 m s -1 Malla1 K VV Ext 3 m s -1 Malla3 21

22

23 RESULTADOS: Ventana cenital BATICENITAL Ventana Lateral 55 m 90 m Ventana Frontal

24 Velocidades del viento interno promedio normalizado sin cul3vo VV Int Norm (Uint/Uext) m 2 m VV Int Norm (Uint/Uext) m 2 m Perfil Longitudinal (m) Perfil Longitudinal (m) Cenitales de espalda al viento Cenitales de espalda al viento + laterales 24

25 Perfil vectorial de velocidad de viento A) Cenitales abiertas de frente al viento C) Cenitales abiertas de frente al viento y laterales abiertas VV Ext 3 m s -1 B) Cenitales abiertas de espalda al viento D) Cenitales abiertas de espalda al viento y laterales abiertas 25

26 VV Ext 3 m s -1 Invernadero vacío: distribución espacial de temperaturas (K) a 1 m de altura VV Ext 3 m s -1 Cenitales abiertas de frente Cenitales abiertas de espalda 26

27 Resultados prác-cos

28

29 RESULTADOS: BATITUNEL Ventana frontal al invernadero Ventana lateral 55 m 90 m

30 IN OUT Sin cul3vo IN OUT Flujo de masa (kg s -1 ) Lateral Flijo de masa (kg s -1 ) Lateral +Frontal VV Exterior (m s -1 ) VV Ext (m s -1 ) V V m s -1 30

31 Flujos de aire ventana lateral abierta 31 ventana lateral y frontal abierta

32 Distribución espacial de temperaturas: sin cul3vo Ventana lateral abierta VV Ext 3 m s -1 Ventana lateral + frontal abierta ºK 32

33 COMENTARIOS GENERALES

34 Comentarios Finales Mallasombra 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. 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. 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. 34

35 35 GRACIAS...

36 RESULTADOS EXTRAS

37 37 Análisis de la ven-lación: Computa3onal Fluid Dynamics (CFD)

38 Perfil escalar de velocidad de viento Escenario Distribución 1 de los vectores de viento

39 Escenario 2

40 Escenario 3

41 Temperaturas los 3 escenarios

42

43

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