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

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