Práctica 2. Análisis térmico de una habitación

Transcripción

1 Práctica 2. Análisis térmico de una habitación E. Martín 1, M. Meis 1,2 y F. Varas 1 1 Univ. de Vigo, 2 Vicus Desarrollos Tecnológicos Dinámica de fluidos computacional con OpenFOAM de Junio de 2014

2 Proyecto CloudPYME El proyecto CloudPYME (ID 0682_CLOUDPYME2_1_E) está cofinanciado por la Comisión Europea a través del Fondo Europeo de Desarrollo Regional (FEDER), dentro de la tercera convocatoria de proyectos del Programa Operativo de Cooperación Transfronteriza España Portugal (POCTEP).

3 Outline y del modelo 1 y del modelo 2

4 Plan y del modelo 1 y del modelo 2

5 Plan y del modelo 1 y del modelo 2

6 Análisis térmico de habitación

7 Análisis térmico de habitación Flujos de calor en habitación

8 Análisis térmico de habitación Hipótesis de cálculo habitación cerrada sin forzamiento de flujo de aire temperatura de 290K en vidrio interior de ventana paredes, suelo y techo adiabáticos temperatura en radiador 310K aire inicialmente en reposo y a 300K

9 Plan y del modelo 1 y del modelo 2

10 Modelado del flujo Estimación de velocidades Problema de convección natural Orden de magnitud a partir de equilibrio: ρ v v ρg e g Con ρ = ρ 0 β T : U c = β TgH Para aire a 20C con T = 10K y H = 1m: U c 0.5m/s

11 Modelado del flujo Régimen laminar o turbulento U c = 0.5m/s, H = 2.5m y ν = m 2 /s (aire a 20C): Re H = U ch ν Flujo compresible o incompresible T = 10K, β = K 1 y ρ 0 = 1.2kg/m 3 (aire a 20C): ρ ρ 0 β T = 0.03

12 Análisis térmico de habitación Flujo turbulento número de Reynolds en torno a modelo RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) estacionario/evolutivo modelo de turbulencia k ɛ Modelo k ɛ modelo de turbulencia de dos ecuaciones: k: energía cinética turbulenta ɛ: disipación turbulenta modelo propuesto para flujos no desprendidos amplio uso (no siempre justificado)

13 Modelado del flujo aproximación de Boussinesq no se retiene variación de otras propiedades Conservación de materia y momentos div U = 0 U t + ( U ) U ν U+ 1 ρ 0 P+ 1 ρ 0 divt = (1 β(t T ref ))g e 3 Conservación de energía ρ 0 c p T t + ρ 0 c p U T div(k T ) = 0

14 Modelado del flujo Coeficientes en ecuación de energía T + U t T div(α tot T ) = 0 α tot contiene contribución turbulenta: α tot = k + k t = µ k k t + ν t = ν ρc p ρc p ρ µc p µ t c p Pr + ν t Pr t Descomposición de la presión p = p rgh ρgz de modo que: p = p rgh ρge z

15 Modelado del flujo Modelado de turbulencia ρ k t + ρ U k ρ ɛ t + ρ U ɛ ( µt ( µt σ ɛ k ) k = 2µ t S ij S ij ρɛ σ k ) ɛ = C 1ɛ k 2µ ts ij S ij C 2ɛ ρ ɛ2 k Viscosidad turbulenta µ t = ρc µ k 2 ɛ

16 Condiciones de contorno Espesor de capa límite δ L 1 Re Resolución de capa límite Con h δ N (L/h) 3 Re 3/2 implica coste de cálculo inabordable

17 Condiciones de contorno Ley de pared Análisis de capa límite y + = yu τ ν u + = u u τ u τ = τw ρ

18 Plan y del modelo 1 y del modelo 2

19 Plan y del modelo 1 y del modelo 2

20 Un caso simplificado 2D Importación de mallado de Gmsh $ gmshtofoam MallaHabitacion.msh Página principal código Gmsh

21 Plan y del modelo 1 y del modelo 2

22 Implementación de modelo físico Descripción del modelo físico modelo de turbulencia propiedades del fluido condiciones de contorno (e iniciales)

23 Implementación de modelo físico Directorio constant subdirectorio polymesh Diccionario RASProperties Diccionario transportproperties Diccionario g (geometría/mallado) (turbulencia) (fluido) (gravedad)

24 Implementación de modelo físico Diccionario RASProperties RASModel kepsilon; turbulence on; printcoeffs on; Asume parámetros estándar para modelo k ɛ

25 Implementación de modelo físico Diccionario transportproperties transportmodel Newtonian; rho rho [ ] 1; nu nu [ ] 1.5e-05; beta beta [ ] 3e-03; TRef TRef [ ] 300; Pr Pr [ ] 0.9; Prt Prt [ ] 0.7; Diccionario g dimensions [ ]; value ( );

26 Implementación de modelo físico Condiciones de contorno (e iniciales) velocidad: archivo 0/U presión: archivo 0/p variable p rgh : archivo 0/p_rgh temperatura: archivo 0/T variable k: archivo 0/k variable ɛ: archivo 0/epsilon Otros archivos variable ν t : archivo 0/nut variable α t : archivo 0/alphat

27 Plan y del modelo 1 y del modelo 2

28 Selección de solver Solvers en OpenFOAM buoyantboussinesqpimplefoam: Transient solver for buoyant, turbulent flow of incompressible fluids buoyantboussinesqsimplefoam: Steady-state solver for buoyant, turbulent flow of incompressible fluids

29 Resolución del caso Ejecución del caso Ejecución y almacenamiento de salida en archivo: $ buoyantboussinesqsimplefoam > solver.log Algunas comprobaciones elementales Evolución de los residuos en resolución - consultar archivo solver.log Estimación de y + en celdas con ley de pared - uso de utilidad yplusras

30 Visualización y del modelo Representación con Paraview Imágenes de mapas de velocidades Imágenes de mapas de temperaturas Líneas de corriente

31 Mallado no estructurado en OpenFOAM Herramienta snappyhexmesh definición de geometría (formato STL/OBJ) generación de malla estructurada refinamiento iterativo de malla

32 Mallado no estructurado en OpenFOAM Algoritmo de mallado con snappyhexmesh generación malla base (blockmesh) refinamiento y selección (castellatedmeshcontrols) ajuste a superficie (snapcontrols) adición de capas (addlayercontrols) Información en: A comprehensive tour of snappyhexmesh, E. de Villiers

33 Mallado no estructurado en OpenFOAM Generación de malla no estructurada $ BlockMesh $ snappyhexmesh -overwrite Opciones de generación de malla Archivo snappyhexmeshdict