ANSYS-Fluent como herramienta de diseño y evaluación de sistemas
auxiliares en Invernaderos
J. Flores-Velázquez, F. Villarreal, W. Ojeda y A. Rojano
Contenido
• Invernadero: sistema dinámico
• Ecuaciones de Transporte
• Velocidad del viento • Gradiente térmico
• Introducción
• Objetivos
• Materiales y Métodos • La Técnica del CFD
• Análisis de los resultados
• Conclusiones
INTRODUCCION
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).
Greenhouse:
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
CFD Validación
CFD (computational Fluid Dynamics)
Ecuaciones de conservación de masa, momento y energía
1=φ 0=∂∂
xiU i
iu=φ ( ) ij
ijji
j
gxxi
puux
ρτ
ρ∂
∂+
∂∂
−=∂∂
)(entalpiah=φ ( )i
iij
ii
iii
j xu
xPu
TxTK
xhu
x ∂∂
+∂∂
+∂∂
+
∂∂
∂∂
=∂∂ τρ P
•Ecuación de continuidad: Para
•Ecuación de momento: Para
•Ecuación de energía: Si
( ) ( ) ( ) Sut
+∇Γ∇=∂∇+∂
∂ φφρφ ..
Inestabilidad convección difusión [m2 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
Geometría
Mallado
FRONTERA Entrada Salida Ventiladores Fronteras
mombre Velocity Inlet Preesure outlet
Fan wall
Velocity 4 m s-1 Presión de salida libre
Presión de salida libre
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
Condiciones de Frontera
Computational Fluid Dynamics (CFD)
19
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)
20
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
RESULTADOS Y DISCUSION
22
Análisis de la ventilación:
Escenario 1
Distribución de los vectores de viento
Perfil escalar de velocidad de viento
Escenario 2
Escenario 3 FLUjos4
Distribución espacial de Temperaturas
A 2 m de altura En el volumen del invernadero
Temperaturas los 3 escenarios
Ventana Plana sobre el cultivo: Bolsa de calor
Ventana Extendida sobre el cultivo: reducción gradiente
Ventana Extendida Abajo: Menor gradiente
FLUtermal6.wmv
Sin cultivo Frente al viento
Opuesta al viento
Pobre homogeneidad en la longitud del invernadero
Potencial riesgo de daño a la estructura en las ventanas cenitales o en los cultivos cuando las ventanas cenitales se abren
Temperatura (K)
Torres de aeración
Alternativas para el ingreso de aire
Construcción y calidad de la malla
Modelos tridimensionales
Flujos
PROYECCIONES
02468
10
1214161820
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Longitudinal profile (m)
The
rmal
Gra
ndie
nt (º
K)
28 m (Q=26,2)50 m (Q=26,1)75 m (Q=26,2)100 m (Q=26,7)
Invernadero cerrado, potencia del ventilador 25 Pa, flujo de calor por conveccion 315 W, 2 m de altura, caudal por ventilador 9 m3 s-1
02468
101214161820
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Longitudinal profile (m)
The
rmal
Gra
ndie
nt (º
K)
28 m (Q=25,2)50 m (Q=25,3)75 m (Q=25,9)100 m (Q=26)
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
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