Author(s): Zdanowski, Francisco Bernardo Leibusch de Margarido
Date: 2016
Persistent ID: http://hdl.handle.net/10400.21/7066
Origin: Repositório Científico do Instituto Politécnico de Lisboa
Subject(s): Climatização; Ventilação forçada (mecânica); Malha escalonada; SIMPLE; HVAC; Mechanical ventilation; Staggered grid; Navier-Stokes; Fluid mechanics
Trabalho final de mestrado para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica
A dinâmica dos fluidos computacional (DFC) começa na indústria da ventilação por volta dos anos70 e tem um vasto uso nas áreas de engenharia, nomeadamente em projectos de climatização. A sua utilização em fase de projecto e no teste de soluções com alto risco permite poupar a nível económico e energético. A nível da climatização, a DFC tem como base as equações que descrevem o movimento do ar e a transferência de calor, as equações de Navier-Stokes, e conservação da energia, respectivamente. A resolução destas é feita através de métodos numéricos e permite obter resultados discretos localizados no espaço e no tempo. Este trabalho analisa um escoamento incompressível, para tal deduzem-se e resolvem-se numericamente as equações diferenciais parciais da continuidade, de Navier-Stokes e da energia. A resolução foi realizada em duas fases, na primeira desenvolveu-se um programa em ambiente MatLab que pretende resolver um escoamento laminar através do algoritmo SIMPLE e obter o perfil de velocidade. Na segunda através do uso do software comercial OpenFOAM, pretende-se resolver um escoamento turbulento com o modelo de turbulência k - contabilizando as forças de impulsão através da aproximação de Boussinesq. Através destas duas fases avaliou-se o escoamento do ar no interior do laboratório e obtiveram-se os perfis de temperatura e velocidade que se desenvolvem no laboratório. Os dois problemas abordados são caracterizados por um difusor e uma grelha de extracção, a duas dimensões, que se diferenciam pela direcção com que o ar é inserido no laboratório. Este estudo foi efectuado para duas condições de ar distintas (condições típicas de verão e de inverno) com o intuito de analisar a influência das condições de insuflação. Através dos perfis de temperatura e de velocidade dos regimes transientes obtém-se informação acerca do tempo que demora até se obterem condições de conforto térmico e da forma como se podem dispor os difusores e as grelhas de extracção.
Abstract: Computational fluid dynamics (CFD) emerges from the ventilation industry around the 70’s and presents a wide use in different fields of engineering such as HVAC projects. This approach, when used in the early stage of the project or in high risk, solutions may result in an economic and energetic saving. When referring to HVAC, the foundation for CFD are the equations that describe the airflow, namely the Navier-Stokes equations, and the heat transfer, namely the energy equation. To solve these, numerical methods produce discrete results with respect to space and time. This dissertation analyzes an incompressible flow, in order to analyze it, it is done the derivation and numerical resolution of the partial diferential equations for the continuity, Navier-Stokes and energy. The numerical resolution was done in two phases: first it was developed a script in Matlab wich solves a laminar flow through the SIMPLE algorithm and second by means of commercial software OpenFOAM, it is intended to solve a turbulent flow by means of k turbulence model and take into consideration the Boussinesq approximation. By setting this two phases it is possible to get an evaluation of the flow inside of a laboratory, allowing to determine the temperature and velocity profiles. The two studied cases are two dimensional. They both present one supply diffuser and one extraction grid and what declares them as different cases is the direction of the airflow that enters the laboratory. This study was made for two distinct conditions (typical conditions for Winter and Summer), attempting to analyze the influence of the supply conditions. Through the temperature and velocity profiles on the transient conditions its possible to know how long it takes to obtain thermal comfort conditions and it is possible to determine the most efficient locations to place the diffuser and the grid. In the Winter case, to get thermal comfort it takes about 60 minutes and in Summer case it takes about 4 minutes.
