Ulikheter i opplevelse av krav og handlingsrommet

As equações RANS para os balanços de massa, quantidade de movimento e energia, assim como o modelo de turbulência e a aproximação de Boussinesq para o termo fonte de empuxo foram usadas para modelar numericamente uma CLA convectiva. O experimento realizado por Fedorovich et al. (1996) com uma CLA convectiva, evoluindo horizontalmente limitada por uma inversão de temperatura em um túnel de vento, foi escolhido para validação dos resultados numéricos. A escolha teve como principal razão o detalhamento e controle das condições de contorno e a qualidade dos resultados disponíveis. Os detalhes do modelo, condições de contorno, parâmetros numéricos e de malha são apresentados a seguir.

4.5.4.1. Modelo do túnel de vento

O experimento de Fedorovich et al (1996) foi reproduzido numericamente e o domínio computacional utilizado neste trabalho, bem como a localização das condições de contorno, é apresentado na Figura 4.18.

Figura 4.18 - Domínio Computacional do experimento de Fedorovich et al (1996).

4.5.4.2. Condições de Contorno

As condições de contorno da simulação numérica do modelo térmico foram configuradas como as do experimento (Fedorovich et al., 1996). Um fluxo de calor constante de 1250 Wm-

2

foi definido no piso. Na entrada do domínio computacional foi configurado um perfil de velocidade uniforme de 0.95 m/s e um perfil de temperatura com uma inversão térmica, a uma altura zi igual a 300 mm.

Da mesma forma que no experimento (Fedorovich et al., 1996), a simulação numérica foi considerada em regime permanente. Como a turbulência de entrada é desconhecida, assumiu- se um valor médio de 5%. Na saída do domínio numérico foi especificada uma condição de pressão relativa média igual a 0 Pa. As paredes laterais e de topo foram definidas como paredes lisas e adiabáticas. O perfil de temperatura imposta na condição de entrada é apresentado na Figura 4.19, baseado no experimento de Fedorovich et al., (1996).

Figura 4.19 – Perfil de temperatura na entrada do túnel de vento.

4.5.4.3. Parâmetros Numéricos

As simulações numéricas estão sendo realizados utilizando o código comercial Ansys CFX 12.0. As equações RANS foram discretizadas utilizando o esquema das diferenças centradas para os termos difusivos e o esquema híbrido de segunda ordem para os termos advectivos das equações. O erro residual RMS tolerado para a convergência final foi de 10-4 para todas as simulações feitas. As simulações foram realizadas usando até seis computadores pessoais, Intel Core Duo de 2.8 GHz com 4 GB de memória RAM, processando em paralelo.

4.5.4.4. Modelos de Turbulência utilizados

Os modelos de turbulência usados neste estudo foram os modelos de duas equações RNG k-ε e SST e os modelos de sete equações SSGRS e o BSLRS. Todos os modelos foram avaliados utilizando-se a melhor malha, que foi definida baseada no modelo de turbulência BSLRS por este ser o modelo mais complexo matematicamente entre os estudados. O estudo de malha é descrito a seguir.

4.5.4.5. Parâmetros de Malha

Um estudo de sensibilidade dos resultados com a malha foi realizado avaliando todos os parâmetros da malha considerados importantes. Na superfície inferior do domínio, onde os gradientes de temperatura e velocidade são maiores, é utilizado camadas de elementos

prismáticos chamados “inflation” que são finos na direção vertical e substancialmente maiores

nas direções longitudinais. O uso destes elementos permite que os gradientes próximos da

0 250 500 750 1000 1250 1500 0 25 50 75 100 Z [m m ] T [o_C]

parede sejam captados sem que seja necessário um número exagerado de elementos. Um controle superficial da aresta do elemento é usado para concentrar elementos próximos a superfície inferior. Este controle define o tamanho do elemento da superfície até uma altura fixa. Após esta altura de influência, o elemento expande em função de um fator de expansão, determinado como 1,1 para todas as malhas avaliadas. Um fator de expansão pequeno garante que uma transição suave ocorra entre os elementos próximos à superfície e o núcleo de elementos tetraédricos, definidos com tamanho de aresta de 100 mm.

Um grande número de simulações foi realizado. A Tabela 4.8 apresenta os parâmetros de cinco malhas que resumem o estudo. Os resultados destas malhas são apresentados por definirem os parâmetros de malha que mais influenciam no estudo. A malha próxima a parede é avaliada pelo número de camadas (inflation), através das malhas 1 e 2 e pela altura do 1º elemento, através das malhas 2 e 3, ambos parâmetros de grande influência. A malha afastada da parede e a resolução espacial da superfície são avaliadas através das malhas 4 e 5 pela altura de influência do controle na superfície e do comprimento da aresta na superfície, respectivamente. Os resultados para os perfis de temperatura e velocidades na posição C (mostrado na Figura 3.9) são apresentados na Figura 4.20 e 4.21, respectivamente.

Tabela 4.8 – Parâmetros das malhas.

Malha

Inflation Controle na superfície inferior

Elementos de malha (106) Nós da malha (106) Nº de camadas Altura da 1ª camada (mm) Aresta do elemento (mm) Altura de influência (mm) 1 20 1 20 100 4,5 1,3 2 30 1 20 100 5,2 1,6 3 30 2 20 100 5,2 1,6 4 30 1 20 300 15,3 3,4 5 30 1 15 100 19,5 5,4

Figura 4.20 – Perfil de temperatura na posição C para as várias malhas analisadas (7,28 m da entrada).

Figura 4.21 – Perfis de velocidades na posição C para as várias malhas analisadas (7,28 m da entrada).

Observando a Tabela 4.8 é possível verificar que, apesar de influenciar de forma significativa no resultado, os parâmetros de malha (inflation) pouco influem no tamanho da malha, como observado para as malhas 1, 2 e 3. Já os parâmetros do controle superficial de malha também influenciam significativamente nos resultados, mas causam um grande aumento do número de elementos e nós da malha, como mostrado na tabela pelas malhas 4 e 5.

Devido à grande sensibilidade dos resultados com a malha, é recomendável que a malha usada na simulação de uma CLC seja refinada o máximo possível próxima a superfície e na região adjacente, onde os maiores gradientes estão presentes. Por isto, optou-se por usar a malha 5, mostrada na Figura 4.20 para as demais simulações deste estudo.

0 0,5 1 1,5 2 30 40 50 60 70 80

z

/

z

Figura 4.22 – Detalhes da malha 5 em vista lateral.