ESTUDO NUMÉRICO DO ESCOAMENTO TURBULENTO EM CHAMINÉ SOLAR PARA VENTILAÇÃO DE AMBIENTES CONSTRUIDOS

Resumo

O presente trabalho tem como objetivos propor uma metodologia numérica para predizer o comportamento de escoamentos turbulentos em ambientes conectados a uma chaminé solar e avaliar a influência da geometria da chaminé sobre o desempenho do escoamento no ambiente através do método Design Construtal. O sistema consiste em um escoamento bidimensional, incompressível, turbulento e com transferência de calor por convecção natural em um ambiente representado por uma região retangular conectado a uma chaminé solar com parede passiva inclinada (apenas transmite o fluxo radiante incidente). A simulações foram realizadas com Rayleigh Ra_H = 1,36 × 10¹⁴  e número de Prandtl de aproximadamente Pr = 0,7. No estudo de avaliação geométrica busca-se obter a melhor vazão mássica de ar no domínio computacional. O sistema é submetido a duas restrições, dadas pela área da chaminé e a área do ambiente construído. A geometria da chaminé (que foi avaliada no presente trabalho) é submetida a dois graus de liberdade: W_e/W_g e W_e/H_t. Sendo W_e a base superior da chaminé, saída, W_g base inferior da chaminé e H_t sua altura total. Para todos os casos foi considerada uma relação W_e/H_t = 0,1. As equações temporais médias de conservação de massa, quantidade de movimento e energia são resolvidas através do método dos volumes finitos (MFV). Para fechamento das equações médias no tempo é empregado o modelo a duas equações k – ε. A vazão mássica obtida com o presente modelo foi concordante dentro de 92,3% com os resultados propostos na literatura, inclusive para o fator adimensional avaliado na literatura estando dentro de 99,7% de concordância, para um caso específico (cuja inclinação da parede passiva foi de 4º).  Com relação a avaliação geométrica, foi observado que para a faixa de geometrias estudadas (0.1 ≤ W_e/W_g ≤ 1.0) a vazão mássica máxima foi obtida no extremo superior, ou seja, (W_e/W_g)_o = 1.0. Além disso, foi observada uma diferença na vazão mássica de 71,6 % entre a geometria ótima e a pior geometria, mostrando a aplicabilidade do Design Construtal neste problema.        

Palavras chave: chaminé solar, ventilação, vazão mássica, avaliação geométrica, Design Construtal.