ANSYS-FLuent, para el Análisis de la Ventilación Natural en

Invernaderos Típicos de México. (Mallasombra, Baticenital y batitúnel)

Universidad de Almería

Jorge.velazquez@uaslp.mx

Jorge Flores-Velázquez, Federico Villarreal G., José L. Lara M. y Abraham Rojano A.

INTRODUCCION

3

VentajasdelaVen3laciónNatural

Invierno Verano

4

Análisisdelaven-lación:Tasaderenovación

10 m3 s-1

10 m3 s-1

5

Análisisdelaven-lación:Computa3onalFluidDynamics(CFD)

OBJETIVO

•  Mejorar el conocimiento sobre la ven3laciónnatural en los principales modelos deinvernaderos usados en México y con ellocontribuiramejorarsuges3ónydiseño.

•  Establecerhipótesisquepermitanmejorasenlages3ón de la ven3lación para reducir el excesotérmicoyunadistribuciónmashomogénea.

MATERIALESYMETODOS

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FormulacióndiferencialEcuacióndecon3nuidad:

Para

Ecuacióndemomento:

Para

Ecuacióndeenergía:

Si

1=φ

iu=φ

)(entalpiah=φ

ui es el componente de la velocidad en la dirección-i (m s-1) xi 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) gi es cualquier campo de aceleración, en este caso la aceleración de la gravedad en la dirección i (m s-2).

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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)

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Mallasombradegrandesdimensiones,coneltechoplanodimensiones110x245m(anchoxlargo)concubiertademallaporosa.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.

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ETAPAS CFD

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 No. de Celdas Máxima deformación Casa sombra de techo plano Cenital en batería

Túnel en batería

998 228 866 011 448 954

0.58 0.66 0.67

Invernadero Dimensiones del invernadero

Dimensiones del dominio exterior

Dimensiones de la zona de cultivo

Casa sombra de techo plano Cenital en batería Túnel en batería

245x55x4 90x55x6.9 90x25x6.3

735x165x58 270x105x90 270x90x75

243x54x2.5 88x54x3 88x24x3

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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

Hipótesis de simulación Solver Condición de tiempo Modelo de viscosidad Ecuación de energía Formulación de poros Opción de los gradientes

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

Dominio entrada Dominio Salida Velocidad del viento Tratamiento de medios porosos Fuente de calor

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)

1.225 1006.43 0.0242 0.003389

1400 1738 1.5

920 1900 0.3

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)( 2UKCU

KS F ρ

µ+−=Φ

Coeficiente de descarga no lineal

Permeabilidad intrínseca

2UCLADS D ρ−=Φ

Cultivo (Thom, 1971 ; Bruse, 1998)

Coeficiente de descarga (drag) del cultivo

0,32=DCHaxaire (1999)

DF CLADKC

=

Simulación de las fuerzas de arrastre inducidas por las mallas y el cultivo

Densidad de área foliar

Tratamiento como un medio poroso mediante la aproximación Darcy Forchhemeir

ANALISISDELOSRESULTADOS

RESULTADOS:Mallasombra

19

AnálisisdeVelocidades

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 30 60 90 120 150 180 210 240Longitud de la mallasombra (m)

V V

norm

aliza

da (U

in/U

ex)

M1 M2M3 M4

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0 30 60 90 120 150 180 210 240Longitud de la malla sombra (m)

VV

nor

mal

izado

(Uin

/Uex

) M2&1

M3&1

Sin cultivo

20

Flujosdeairequeocurreneneltechoenfuncióndelaporosidaddelamalla

Malla1

0

50

100

150

200

250

300

V1 V2 V3 V4 V5Vel. Viento exterior (m s-1)

Fluj

o de

mas

a (k

g s-

1)

M1

M3

21

Distribuciónespacialdetemperaturasa1mdealtura;Mallasombrasincul-vo

Malla1

Malla3

K

VV Ext 3 m s-1

VV Ext 3 m s-1

RESULTADOS:BATICENITAL

Ventana Lateral

Ventana Frontal

Ventana cenital

90 m

55 m

24

Velocidadesdelvientointernopromedionormalizadosincul3vo

Cenitales de espalda al viento

Cenitales de espalda al viento + laterales

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90Perfil Longitudinal (m)

VV

Int N

orm

(Uin

t/Uex

t) 1 m2 m

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 9 18 27 36 45 54 63 72 81 90Perfil Longitudinal (m)

VV

Int N

orm

(Uin

t/Uex

t)

1m2 m

25

Perfilvectorialdevelocidaddeviento

A) Cenitales abiertas de frente al viento

C) Cenitales abiertas de frente al viento y laterales abiertas

B) Cenitales abiertas de espalda al viento

D) Cenitales abiertas de espalda al viento y laterales abiertas

VV Ext 3 m s-1

26

Invernaderovacío:distribuciónespacialdetemperaturas(K)a1m

dealtura

Cenitales abiertas de

frente

Cenitales abiertas de espalda

VV Ext 3 m s-1

VV Ext 3 m s-1

Resultadosprác-cos

Ventana frontal al invernadero

Ventana lateral

RESULTADOS: BATITUNEL

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

90 m

55 m

30

Sincul3vo

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5

VV Exterior (m s-1)

Fluj

o de

mas

a (k

g s-1

)

INOUT

0

50

100

150

200

250

1 2 3 4 5

VV Ext (m s-1)

Flij

o de

mas

a (k

g s-1

)

INOUT

Lateral

Lateral +Frontal.

V V m s-1

31

Flujosdeaireventanalateralabierta

ventana lateral y frontal abierta

32

Distribuciónespacialdetemperaturas:sincul3vo

Ventana lateral abierta

Ventana lateral + frontal abierta

VV Ext 3 m s-1

ºK

COMENTARIOSGENERALES

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Mallasombra

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.

Comentarios Finales 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.

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.

35

GRACIAS . . .

RESULTADOSEXTRAS

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Análisisdelaven-lación:Computa3onalFluidDynamics(CFD)

Escenario1Distribucióndelosvectoresdeviento

Perfilescalardevelocidaddeviento

Escenario2

Escenario3

Temperaturaslos3escenarios