Diseño de más chimeneas solares eficientes para la ventilación natural utilizando Cfd en el fluido de Ansys

Utilizando CFD, los diseñadores pueden evaluar prototipos virtuales bajo condiciones de límites realistas – cargas solares variables, perfiles de viento y calendarios de ocupación de edificios – mucho antes de que comience cualquier construcción física. Esto reduce tanto el coste como el tiempo en el ciclo de diseño. Un flujo de trabajo típico de CFD para una chimenea solar implica:

1. Creación de geometría (utilizando CAD o Ansys DesignModeler)
2. Generación de malla con refinamiento adecuado cerca de las paredes y en la entrada de chimenea/outlet
3. Configuración de condiciones de límite (grifo de calor solar, velocidad del viento, temperaturas)
4. Selección de modelos de física (turbulencia: k‐ε, k‐ω SST; radiación: modelo de carga solar, ordenanzas discretas)
5. Configuración de Solver (acoplamiento de presión-velocidad, criterios de convergencia)
6. Procesamiento post para extraer contornos de velocidad, campos de temperatura y caudales de masa

Un estudio de 2021 publicado en Energía y Edificios utilizaron Ansys Fluent para optimizar el ángulo de inclinación y el material absorbente de una chimenea solar integrada por techo. Los investigadores encontraron que una inclinación de 45° y un revestimiento selectivo con alta absorción solar (α ♥ 0,95) podrían aumentar el flujo de aire en un 35% en comparación con una chimenea de hormigón vertical tradicional.

Parámetros clave analizados con CFD

Los ingenieros pueden variar sistemáticamente docenas de parámetros de diseño en un estudio de CFD. Los más influyentes son:

• Altura y diámetro de la chimenea: Las chimeneas más altas generan presiones de pila más grandes, pero también incurren en mayores costos de material y espacio. La CFD puede ayudar a encontrar la altura que equilibra el rendimiento con la economía.
• ] Material y color de absorber: Las superficies oscuras y de alta absorción (por ejemplo, metal negro o hormigón cargado de carbono) se calientan más rápido. Recubrimientos selectivos que minimizan la emisión de infrarrojos mejoran aún más el rendimiento.
• Ángulo de inclusión: Las chimeneas ancladas (por ejemplo, inclinadas 30-60° desde horizontal) suelen producir borradores más fuertes que verticales, especialmente cuando se combinan con la succión inducida por el viento en la salida.
• Dispositivos de afeitado y de sobrecogeción: El afeitado parcial de la chimenea durante el verano puede regular el sobrecalentamiento, pero es necesario que el CFD cuantifique el intercambio entre el flujo reducido y la comodidad térmica.
• Efectos del viento externo: La velocidad y la dirección del viento pueden mejorar o dificultar la operación de la chimenea. Los modelos CFD pueden incorporar perfiles de capas de límites atmosféricos para evaluar escenarios de retroceso en caso peor.
• Tipo de mezcla y colocación: Las cubiertas dobles reducen las pérdidas convectivas al exterior, al tiempo que transmiten la radiación solar. La distancia óptima de ancho y transmisividad de vidrio se puede determinar mediante simulación.
• ] Espesor de aislamiento: Aislar las paredes de la chimenea (excepto el absorbente) reduce la pérdida de calor parasitaria a la estructura de la construcción, manteniendo más energía en la columna de aire.

Mejoras de diseño utilizando CFD en el fluido de Ansys

El poder de CFD reside en su capacidad de revelar interacciones no intuitivas. Por ejemplo, un diseño ingenuo podría suponer que hacer la salida de la chimenea lo más grande posible maximiza el flujo. Las simulaciones fluidas a menudo muestran que una salida excesivamente amplia reduce la presión de conducción gradiente, mientras que un outlet ligeramente convergente puede acelerar el aire creciente – mucho como una boquilla.

Otra optimización común es el uso de materiales de cambio de fase (PCMs) en el absorbente. Una simulación de investigadores de la Universidad de Nottingham demostró que la incorporación de un PCM basado en parafina detrás del absorbente permitió que la chimenea siguiera operando durante varias horas después del atardecer, suavizando el ciclo de ventilación diurna. Ansys Fluent’s solidification/melting model enabled accurate prediction of the PCM’s.

En edificios de gran altura, se pueden apilar o organizar múltiples chimeneas en paralelo. Estudios de CFD muestran que conectar chimeneas con plenums horizontales puede crear patrones de flujo complejos; algunas chimeneas pueden incluso revertir el flujo si el sistema no está equilibrado. Al ejecutar barridos paramétricos en Fluent, los ingenieros pueden diseñar un sistema de solapa o amortiguador que previene el flujo de retorno y asegura un rendimiento uniforme en todas las chimeneas.

Estudio de caso: Optimización de una chimenea solar residencial en Phoenix, Arizona

Un proyecto de diseño reciente para una casa de energía net‐zero en Phoenix utilizó Ansys Fluent para comparar nueve configuraciones de chimenea. La base fue una chimenea vertical de 4-m-tall, de 0,5 m de ancho con hormigón pintado en negro. El diseño optimizado incorpora una chimenea de 5-m-tall inclinada a 40°, con un absorbente de aluminio recubierto con cromo negro (α ε 9.8

• El flujo de aire aumentó de 0,12 m3/s (baselina) a 0,23 m3/s (optimizada) – un 92% de mejora.
• La temperatura media de salida de chimenea alcanzó los 58°C (versus 42°C), proporcionando un borrador más fuerte.
• La temperatura interna de los edificios durante las horas de la tarde pico se redujo en 3,5°C en comparación con un equivalente ventilado mecánicamente.
• El período de devolución del costo de construcción añadido (recubrimiento selectivo y acristalamiento) se estimó en 4.2 años en facturas de electricidad de aire acondicionado reducidas.

Este caso ilustra cómo el diseño guiado por CFD puede convertir las chimeneas solares de una estrategia de ventilación suplementaria en un sistema de refrigeración primario, incluso en climas extremos del desierto.

Configuración de una simulación de CFD en el fluido de Ansys para las chimeneas solares

Consejos prácticos para los ingenieros que inician un estudio de CFD de la chimenea solar:

1. Geometría y malla

Comience con un modelo simplificado 2D o 2D-eximétrico para barridos paramétricos iniciales, valide los casos clave con un modelo 3D completo. Use la mezcla de poliedral o hex-core en Fluent para equilibrar la precisión y el coste computacional. Preste especial atención a la malla de capa de límite cerca del absorbente y el acristalamiento – y+ valores deben ser 3 ♥ para modelos mínimos-

2. Modelos de Física

Permitir la ecuación de energía y elegir un modelo de turbulencia adecuado para flujos de buoyancy-driven: el modelo realizable k‐ε con tratamiento mejorado de pared a menudo funciona bien, pero el modelo k‐ω SST es más preciso para flujos con separación (por ejemplo, en curvas de chimenea). Para la radiación, utilice el modelo de ordenanzas discretas (DO) con el modelo de carga solar activado.

3. Condiciones de los límites de los límites

Configure la entrada de la chimenea como una entrada de presión con presión cero medidor (ambiente) y temperatura adecuada (por ejemplo, 35°C para climas calientes). La salida debe ser una salida de presión con una temperatura de flujo de respaldo especificada. La superficie absorbente: pared combinada con el flujo de calor solar absorbida en la superficie (utiliza la condición de límite de “Heat Flux” derivada del modelo de carga solar.

4. Ajustes de palanca

Utilizar un solucionador basado en la presión con el esquema SIMPLE para el acoplamiento de la velocidad de presión. La discretización de viento de segundo orden para las ecuaciones de impulso y energía mejora la precisión. Los factores de reducción pueden ser reducidos (por ejemplo, 0,3 para la presión, 0,7 para la convergencia estable. Supervisar la velocidad de flujo de masa a través de la chimenea – la convergencia se consigue normalmente cuando los residuos 1% bajan por debajo de 10-4 y el flujo de masa.

Limitaciones y consideraciones prácticas de CFD para chimeneas solares

Aunque el CDF es poderoso, no es un sustituto de la prueba física en todos los casos.

• Incierto de modelado: Modelos de Turbulencia, modelos de radiación y condiciones de límites introducen aproximaciones. La validación contra datos experimentales es esencial.
• Costo computacional: Las simulaciones transitorias 3D de alta resolución (con radiación solar y viento) pueden tomar días en un grupo. Los ingenieros deben equilibrar el detalle con el tiempo de rotación.
• Efectos de viento simplificados: Muchos estudios utilizan perfiles de viento uniformes o ignoran los vientos cruzados, que pueden alterar significativamente el rendimiento de la chimenea.
• Bouyancy vs. el flujo forzado: A velocidades muy bajas del viento, el flujo está dominado por la buoyancy; a vientos altos, la presión del viento puede dominar. CFD debe cubrir toda la gama de condiciones esperadas al aire libre.