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Estudo de Modelos de Turbulência Aplicados à Ventilação de Espaços Interiores
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Abstract(s)
Computational Fluid Dynamics has been implemented for indoor environments ventila‐ tion studies. Despite of its maturity and usefulness, its use for engineering applications such as heating, ventilation, and air conditioning (HVAC) projects is still scarce in Por‐ tugal. With this aim, this dissertation presents some introductory studies to create a computational fluid dynamics (CFD) workflow for the use by HVAC engineers with min‐ imal knowledge of CFD practices. Thus, some aspects were investigated, such as mesh design, discretization schemes, solvers, boundary conditions and turbulence models. For the latter, from a large set of turbulence models, six Reynolds‐averaged Navier‐Stokes (RaNS) turbulence models were tested and validated for indoor ventilation, the standard k − ε, the renormalization group (RNG) k − ε, the realizable k − ε, the v ′2 − f, the k − ω and the k−ω shear stress transport (SST). The standard k−ε model continues to present the most satisfactory results of all the studied turbulence models. The RNG k − ε model also showed good agreement with the experimental data, however it required more time to achieve convergence. It was not possible to achieve convergence with the realizable k −ε model. The k −ω and k −ω SST models yield results significantly different from the experimental measurements, especially in the far wall region. These studies were com‐ pared with the benchmarks from the International Energy Agency Annex 20. This work also presents 2D and 3D cases, mesh convergence studies, effects of flow buoyancy (incompressible, isothermal and non‐isothermal cases), and steady‐state and tran‐sient flow simulations.
Mecânica dos Fluídos Computacional tem sido implementada em estudos de ventilação de espaços interiores. Apesar da sua maturidade e utilidade, a sua utilização para apli‐ cações de engenharia como projetos de aquecimento, ventilação e ar condicionado (AVAC) ainda é escassa em Portugal. Com este objetivo, esta dissertação apresenta alguns estudos introdutórios para a criação de um workflow de mecânica de fluídos computacional (CFD) para uso por engenheiros de AVAC com pouco conhecimento acerca de práticas de CFD. Assim, alguns aspetos foram investigados, tais como, geração de malhas, esquemas de discretização, solvers, condições de fronteira e modelos de turbulência. A partir de uma panóplia de modelos de turbulência, seis modelos de Reynolds‐averaged Navier‐Stokes (RaNS) de turbulência foram testados e validados para espaços interiores, standard k − ε, renormalization group (RNG) k − ε, realizable k − ε, v ′2 − f, k − ω e k−ω shear stress transport. O modelo standard k−ε apresenta os resultados mais satis‐ fatórios entre os estudados. O modelo RNG k−ε também demonstrou boa concordância com os resultados experimentais disponíveis na literatura, no entanto necessita de mais tempo de simulação para convergir do que o modelo standard k − ε. Com o realizable k − ε não foi possível obter convergência e os modelos k − ω e k − ω SST produzem resultados significativamente desfasados da realidade, especialmente na zona afastada das paredes. Estes estudos foram comparados com benchmarks do International Energy Agency Annex 20. Esta dissertação também apresenta estudos de convergência de malhas, efeitos de im‐ pulsão sobre o escoamento (casos incompressíveis, isotérmicos e não isotérmicos) e sim‐ ulações de escoamento em regime permanente e transiente.
Mecânica dos Fluídos Computacional tem sido implementada em estudos de ventilação de espaços interiores. Apesar da sua maturidade e utilidade, a sua utilização para apli‐ cações de engenharia como projetos de aquecimento, ventilação e ar condicionado (AVAC) ainda é escassa em Portugal. Com este objetivo, esta dissertação apresenta alguns estudos introdutórios para a criação de um workflow de mecânica de fluídos computacional (CFD) para uso por engenheiros de AVAC com pouco conhecimento acerca de práticas de CFD. Assim, alguns aspetos foram investigados, tais como, geração de malhas, esquemas de discretização, solvers, condições de fronteira e modelos de turbulência. A partir de uma panóplia de modelos de turbulência, seis modelos de Reynolds‐averaged Navier‐Stokes (RaNS) de turbulência foram testados e validados para espaços interiores, standard k − ε, renormalization group (RNG) k − ε, realizable k − ε, v ′2 − f, k − ω e k−ω shear stress transport. O modelo standard k−ε apresenta os resultados mais satis‐ fatórios entre os estudados. O modelo RNG k−ε também demonstrou boa concordância com os resultados experimentais disponíveis na literatura, no entanto necessita de mais tempo de simulação para convergir do que o modelo standard k − ε. Com o realizable k − ε não foi possível obter convergência e os modelos k − ω e k − ω SST produzem resultados significativamente desfasados da realidade, especialmente na zona afastada das paredes. Estes estudos foram comparados com benchmarks do International Energy Agency Annex 20. Esta dissertação também apresenta estudos de convergência de malhas, efeitos de im‐ pulsão sobre o escoamento (casos incompressíveis, isotérmicos e não isotérmicos) e sim‐ ulações de escoamento em regime permanente e transiente.
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Keywords
Turbulence models RaNS Computational fluid dynamics Numerical methods Ventilation OpenFOAM Modelos de turbulência Mecânica dos fluidos computacional Métodos numéricos Ventilação