Modelagem Computacional de trocadores de calor solo-ar comparando diferentes modelagens para turbulência

Abstract

A radiação solar é uma fonte de energia renovável e sua energia térmica pode ser aproveitada através da utilização de trocadores de calor solo-ar (TCSA) em ambientes construídos, podendo ser uma alternativa para reduzir o consumo de energia elétrica. Estes dispositivos consistem em dutos enterrados no solo, onde ocorre o escoamento forçado do ar ambiente. O ar é resfriado/aquecido pelo solo nos períodos quente/frio podendo ser utilizado para melhorar a condição térmica de ambientes construídos. Para simular numericamente o comportamento térmico de um TCSA é necessário empregar alguma modelagem para turbulência. Sendo assim, este trabalho tem como objetivo comparar diferentes modelos de turbulência no âmbito da modelagem clássica da turbulência (URANS) e a simulação de grandes escalas (LES), bem como, diferentes discretizações espaciais no estudo do princípio físico de funcionamento de um TCSA com um duto retilíneo. Foram utilizados neste trabalho para a modelagem URANS os modelos RSM (Reynolds Stress Model), k- e k- padrão e Spalart Allmaras e para modelagem LES o modelo submalha dinâmico de Smagorinsky. Assim, busca-se propor recomendações sobre qual ou quais modelos de turbulência e discretizações espaciais são mais adequados para esse tipo de aplicação. A modelagem computacional foi realizada através do software FLUENT que é baseado no método dos volumes finitos (MVF). Os resultados numéricos obtidos com os modelos URANS e LES reproduziram os resultados numéricos e experimentais da literatura. Na abordagem LES houve melhora dos resultados do potencial térmico em relação aos obtidos experimentalmente, quando simulado com malhas hexaédricas mais refinadas no duto, o que não ocorreu com os modelos URANS. A partir dos resultados desse estudo é possível dizer que o emprego do LES com malhas adequadamente discretizadas pode ser empregado como uma solução "benchmark" para casos onde não se tenham dados experimentais. Contudo, essa abordagem, para projetos térmicos de TCSA, implica em elevado esforço computacional. O emprego de diferentes abordagens para a turbulência não conduziu a resultados diferentes quando malhas tetraédricas foram empregadas, indicando que a malha possui uma influência maior nas simulações com LES do que com URANS.

Solar radiation is a source of renewable energy and its thermal energy can be exploited by using earth-air heat exchanger (EAHE) in built environments, therefore it can be an alternative to reduce electricity consumption. These devices consist of ducts buried in the soil, where the ambient air forced flow occurs. The air is cooled/heated by the soil in hot/cold periods which can be used for improve the thermal condition of built environments. To numerically simulate the thermal behavior of an EAHE is necessary to use some modeling for turbulence. Thus, this work aims to compare different turbulence models in the context of Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes (URANS) and Large Eddy Simulation (LES), as well as, different spatial discretizations in the study of the main operational principle of an EAHE with a straight duct. It was used in this study for modeling URANS the models RSM (Reynolds Stress Model), k- and k- standard and Spalart Allmaras and LES modeling the dynamic subgrid-scale model Smagorinsky. In this sense, it seeks to propose recommendations about which turbulence models and spatial discretizations are best suited for this type of application. The computational modeling was performed using the FLUENT software which is based on the finite volume method (FVM). The numerical results obtained with URANS and LES models were similar to the results of numerical and experimental literature. In LES approach substantially improved the results of the thermal potential in comparison with URANS results for prediction of experimental results. For this, it is required the employment of hexahedral refined mesh in the duct. This behavior was not noticed for URANS simulations, i.e., all grids led to the same results. From these results it was noticed that the use of LES with properly discretized meshes can be used as a benchmark solution for cases where experimental data are not available. In spite of this fact, LES is not the most recommended approach for thermal projects of TCSA due to its high computational effort. The using different approaches to turbulence did not lead to different results when tetrahedral meshes were used, indicating that the mesh has large influence for the simulations with LES than for URANS.