ANSYS-Fluent como herramienta de diseño y evaluación de sistemas auxiliares en Invernaderos J. Flores-Velázquez, F. Villarreal, W. Ojeda y A. Rojano Jorge_flores@tlaloc.imta.mx
Introducción Objetivos Contenido Invernadero: sistema dinámico Materiales y Métodos La Técnica del CFD Ecuaciones de Transporte Análisis de los resultados Conclusiones Velocidad del viento Gradiente térmico
INTRODUCCION
Greenhouse: A structure or thermally isolated area of a building that maintains a specialized sunlit environment that is essential for and used exclusively for the cultivation, protection or maintenance of plants (ASABE, 2013).
La tasa y eficiencia de producción es función de las características de cada ambiente y cada factor (tamaño, forma, etc) tiene influencia en su desempeño El conocimiento en el manejo del invernadero generado en el mundo es una fuente importante de conocimiento como consecuencia de la modelación
MANEJO DE INVERNADEROS Ventilación del invernadero durante la primavera y verano Calefacción durante el invierno Interacción de las condiciones ambientales en el invernadero con el manejo de la planta
Ángulo de los rayos
SISTEMA DE VENTILACION SISTEMA DE CALEFACCION DISEÑO DE ESTRUCTURAS
Modelos teóricos Validación CFD
CFD (computational Fluid Dynamics) Ecuaciones de conservación de masa, momento y energía Ecuación de continuidad: Para φ = h (entalpia) ρ ( uih) = x φ = 1 = 0 Ecuación de momento: Para Ecuación de energía: Si x U i xi φ = u ( ) ij i ρ uiu j = + ρgi j x i K j T x i + P T p xi + u i P x τ i x j + τ ij u x i i
( ρφ) t +. ( uφ ) =. ( Γ φ) + S Inestabilidad convección difusión [m 2 s -1 ] y termino fuente (S)
OBJETIVO M. Kacira, 2009
Mostrar el comportamiento térmico de un invernadero debido al sistema auxiliar y opciones de diseño usando Computational Fluid Dynamics (CFD)
MATERIALES Y METODOS
Construcción del Modelo Computacional Mallado Geometría
Condiciones de Frontera FRONTERA Entrada Salida Ventiladores Fronteras mombre Velocity Inlet Preesure outlet Velocity 4 m s-1 Presión de salida libre Fan Presión de salida libre wall Suelo Plástico cultivo Temp Cte=300 K Cte 300 K Cte. =10 Mpa Características físicas Species H2o O2 N2 Air Fracción de masa 0.28 0.12 0.021 0.597 Modelo de turbulencia de dos ecuaciones curva carga vs gasto Condiciones ambientales
Computational Fluid Dynamics (CFD)
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) 19
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 Modificar parámetros de la solución o mallado No Si Verifica la precisión No 20 Caso Resuelto
RESULTADOS Y DISCUSION
22 Análisis de la ventilación:
Distribución de los vectores de viento Escenario 1 Perfil escalar de velocidad de viento
Escenario 2
FLUjos4 Escenario 3
Distribución espacial de Temperaturas A 2 m de altura En el volumen del invernadero
Ventana Plana sobre el cultivo: Bolsa de calor Ventana Extendida sobre el cultivo: reducción gradiente Temperaturas los 3 escenarios Ventana Extendida Abajo: Menor gradiente
FLUtermal6.wmv
Temperatura (K) Pobre homogeneidad en la longitud del invernadero Sin cultivo Frente al viento Opuesta al viento Potencial riesgo de daño a la estructura en las ventanas cenitales o en los cultivos cuando las ventanas cenitales se abren
Torres de aeración
Alternativas para el ingreso de aire Modelos tridimensionales Construcción y calidad de la malla Flujos
PROYECCIONES Thermal Grandient (ºK) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 28 m (Q=26,2) 50 m (Q=26,1) 75 m (Q=26,2) 100 m (Q=26,7) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Longitudinal profile (m) Invernadero cerrado, potencia del ventilador 25 Pa, flujo de calor por conveccion 315 W, 2 m de altura, caudal por ventilador 9 m 3 s -1
Thermal Grandient (ºK) 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 28 m (Q=25,2) 50 m (Q=25,3) 75 m (Q=25,9) 100 m (Q=26) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Longitudinal profile (m) Invernadero totalmente abierto
CONCLUSIONES
La dinámica de fluidos computacional es una herramienta adecuada para la validación de tecnologías y puede ser considerada como complemento de técnicas experimentales y teóricas para la modelación del sistema de ventilación en invernaderos. De las configuraciones ensayadas, se observa la relevancia de la posición de las ventanas de entrada de aire y su correspondiente posición del extractor. Para las condiciones de temperatura y velocidad del viento ensayado, se observa que el incremento en el área de la ventana de entrada disminuye la caída de presión. Esto promueve una mayor entrada de aire, lo que redunda en el abatimiento de las temperaturas y mejora su distribución. Para las dimensiones del invernadero ensayado, el sistema de ventilación mecánico con ventana de entrada de aire plana, presenta deficiencias en la renovación del aire, situación que puede ser mejorada con algunas de las variantes mostradas.
Preguntas... G r a c i a s... VIENTO6