Modelado numérico de chimeneas solares : Caracterización de las capas límite en chimeneas solares a partir de simulaciones numéricas con técnicas CFD.

Abstract

En esta tesis se presenta el armado de un caso de simulación CFD en el software OpenFOAM, que permite obtener en detalle el flujo de aire en el interior de una chimenea solar simple, del tipo de las que podrían usarse para acondicionamiento térmico y ventilación pasiva de edificaciones. En los modelos simples que en la literatura han sido propuestos para simular el comportamiento de las chimeneas solares, con los cuales se pueden evaluar periodos largos de tiempo, hay parámetros que pueden ser ajustados a partir de datos aportados por simulaciones CFD. Además de realizarse una revisión bibliográfica específica sobre las chimeneas solares, en este trabajo se estudiaron en detalle las ecuaciones de movimiento de los fluidos cuando hay presente transferencia de calor. Se muestran las simplificaciones que se toman en cuenta para llevar las ecuaciones desde su forma más general a las formas simplificadas que se suelen utilizar con movimientos termoconvectivos. Se introducen las justificaciones generales que se dan en los libros de mecánica de los fluidos y transferencia de calor para considerar dichas simplificaciones y, mediante un análisis inicial de órdenes de magnitud, se logra justificar algunas de las hipótesis usuales para el caso concreto del movimiento de aire en el interior de las chimeneas solares. Las simulaciones que se efectuaron son bidimensionales, tomando como dominio de trabajo únicamente a la cámara de aire de la chimenea, y se ejecutaron utilizando el “solver” buoyantPimpleFoam. Se discute acerca de inconvenientes encontrados en vinculación a la implementación de los efectos de empuje en la versión de OpenFOAM que se utiliza. Se contrastan resultados obtenidos en OpenFOAM contra resultados de un trabajo numérico, en el que imponen un flujo de calor uniforme en la superficie que cumple el rol de pared absorbedora y asumen adiabática la superficie que hace de placa cobertora, y contra resultados de un trabajo experimental, en el que calientan eléctricamente de manera uniforme la superficie que cumple el rol de pared absorbedora. Los resultados de las simulaciones realizadas en esta tesis son muy similares a los del trabajo numérico, pero difieren un poco en el caso de la comparación contra el trabajo experimental.