Avaliação do desempenho do OpenFOAM® em estudos de ventilação natural

Abstract

A ventilação natural tem a capacidade de melhorar a qualidade do ar interior e remover carga térmica de edifícios sem que haja consumo de energia, sendo por isso uma alternativa eficiente aos sistemas mecânicos de ar-condicionado. A fase de projeto de um edifício contempla o cálculo das necessidades de ar novo que podem ser ou não atingidas pela atuação exclusiva da ventilação natural. Existem vários métodos que permitem estimar os caudais de ventilação natural, entre os quais a modelação numérica da dinâmica dos fluidos. Esta tese tem por objetivo avaliar o desempenho do OpenFOAM® na previsão dos caudais de ventilação do tipo single-sided, dinamizados pela ação do vento, por comparação com resultados experimentais documentados na bibliografia. Para isso, sugere-se e implementa-se uma metodologia para o cálculo dos caudais de ventilação em OpenFOAM®. Verifica-se que os resultados obtidos apresentam erros elevados, quando a modelação numérica segue o procedimento convencional indicado na bibliografia. Por oposição, propõe-se uma nova estratégia para obtenção de caudais de ventilação single-sided que contempla a existência de um gradiente de pressão favorável nas fronteiras do domínio computacional. A estratégia do gradiente de pressão favorável produz bons resultados para diferentes velocidades, áreas, geometrias e localizações da abertura e geometria do modelo, na maioria das vezes com erros inferiores a 10%.

Natural ventilation has the ability to improve indoor air quality and to remove thermal load on buildings without consuming energy; it is therefore an efficient alternative to mechanical air-conditioned systems. Building design phase includes the calculation of fresh air requirements which can be entirely achieved, or not, by natural ventilation. There are several methods of estimating the natural ventilation flow rates, including computational fluid dynamics (CFD). This thesis aims to evaluate the performance of OpenFOAM® in predicting the single-sided wind-driven ventilation flow rates, by comparison with experimental data available in the literature. For this, a methodology for computing natural ventilation flow rates in OpenFOAM® is suggested and implemented. The results contain high errors when the numerical modeling follows the standard procedure indicated in the literature. In contrast, a new strategy for obtaining single-sided ventilation flow rates is proposed. It accounts for the existence of a favorable pressure gradient at the boundaries of the computational domain. The strategy of favorable pressure gradients gives good results for different air velocity, area, geometry and position of the opening and model geometry, most of the times with errors less then 10%.