Os avanços tecnológicos aplicados na área da construção rural têm promovido ambientes especializados para produção, seja animal ou vegetal (NORTON et al., 2007) e, paralelamente, destaca-se a importância da modelagem das condições ambientais para determinação e conhecimento dos níveis de conforto. Os autores destacam as principais vantagens de simular o ambiente, com a possibilidade de quantificar as necessidades essenciais do ocupante com consequente otimização do sistema para o aumento do desempenho na produção.
O método de cálculo por CFD pode fornecer informações diretas de variáveis físicas de fluxo, tais como pressão, velocidade e temperatura. As equações de transporte resolvidas numericamente fornecem os coeficientes aerodinâmicos. Este método é recomendado em projetos complexos, proporcionando menores custos e agilidade na obtenção dos resultados. Destaca-se ainda que a simulação por CFD também pode ser combinada com experimentos de modelos físicos, no sentido de modelos serem simulados numericamente até a definição daqueles que serão submetidos a análise em túnel de vento.
Diante da dificuldade de realização de experimentos com as situações reais do problema, devido aos empecilhos encontrados para reprodução em laboratório, devido a altos custos e também devido à dificuldade de realização por questão de segurança, como é o caso da transferência de calor num núcleo de reatores nucleares (MALISKA, 1995), a técnica de análise por CFD tornou-se uma alternativa vantajosa.
No meio rural, a dificuldade da experimentação ocorre devido às dimensões das instalações, bem como seus usos, por exemplo as estufas agrícolas e os silos metálicos para grãos, que possuem grandes dimensões e ocupação quase que total em diferentes períodos do ano. No entanto, as simulações via CFD fornecem facilidade nesse sentido, proporcionando análises desde a concepção de projetos, na qual se torna uma ferramenta ideal para previsões iniciais e decisões, até a resolução de problemas em estruturas ou ambientes já estabelecidos.
Quanto a técnica de modelagem por CFD, no Brasil tem sido difundida para simulações e análises do ambiente interno das estufas para produção vegetal e também em ambientes para produção animal, buscando-se o tratando das questões do conforto, tais como a análise térmica e a eficiência de ventilação (KHAOUA et al., 2006; SARAZ et al., 2012; DAMASCENO et al., 2014; CORDEIRO et al., 2015; CURI et al., 2017; SOUSA JUNIOR et al., 2018).
2.5.1 Coeficientes aerodinâmicos de estufas analisados por CFD
A fluidodinâmica computacional para determinação de coeficientes aerodinâmicos é aplicada comumente em construções civis, visto a gama de pesquisas envolvendo o tema (MANFRIM, 2006; CÓSTOLA e ALUCCI, 2011; GUERRA e PRAVIA, 2014; NEGRI, 2017), bem como em outras áreas de pesquisas, a exemplo da indústria automobilística (CARREGARI, 2006; KIEFFER et al., 2006; AHMAD et al., 2010).
Outra aplicação da técnica CFD para determinação de coeficientes aerodinâmicos que pode ser utilizada é em estufas agrícolas. Alguns estudos internacionais obtiveram sucesso na determinação de coeficientes de pressão para essas edificações rurais (REICHRATH e DAVIES, 2002; NORTON et. al., 2007; KATERIS et. al., 2012; HWANG e LEE, 2014; FRAGOS et. al., 2014; KWON et al., 2016). Em alguns desses trabalhos houve por objetivo a comparação dos resultados da simulação computacional com resultados obtidos em ensaios de modelos reduzidos em túnel de vento. A maioria dos autores citados analisaram modelos de estufas de único vão e modelos de múltiplos vãos contidos na norma europeia EN 13031-1 (2001).
Conforme destacado por Reichrath e Davies (2002), em locais com grandes concentrações de estufas agrícolas, como na Holanda e Reino Unido, os conjuntos chegam a ter mais de 60 vãos e 40.000 m² de área coberta. Dessa forma, estes modelos complexos não são contemplados em norma e não possuem possibilidade de validação experimental. Os autores destacam que a modelagem numérica dessas, e de outras situações pela técnica de CFD, pode ser uma ferramenta de determinação de coeficientes de pressão rápida, eficiente e a custos menores.
No Brasil, a modelagem computacional por CFD na análise estrutural de estufas, em especial para os coeficientes de pressão, ainda é incipiente dada a escassa disponibilidade de material científico. A recente vigência da norma para estufas agrícolas ABNT NBR 16032 (2012) desperta para que os valores de coeficientes de seu conjunto possam ser discutidos à luz da modelagem por CFD.
3 MATERIAL E MÉTODOS
Preliminarmente, realizou-se um teste com escoamento num cilindro de 6 m de diâmetro e 15 m de altura. Esta avaliação, cujos resultados estão descritos no Apêndice 1, visou obter respostas acerca do estudo das condições de contorno e malhas aplicadas, que resultaram naquelas aplicadas para se alcançar os objetivos desta pesquisa para ambas as formas de estufas (telhado plano e em arco), de acordo com a descrição nos itens seguintes.
Para as simulações, foram elaboradas as geometrias no software Autodesk AutoCAD 2017 3D - student version. As geometrias confeccionadas em três dimensões foram inseridas no volume de controle de cada uma delas e, posteriormente, exportou-se um arquivo no formato [.iges], o qual corresponde ao formato de simulação do software Autodesk CFD,
student version 17.2.
Após a elaboração das geometrias dentro dos volumes de controle, no software Autodesk CFD realizou-se as simulações com variações no número de Reynolds, nos modelos de turbulência e na densidade da malha, obtendo-se, assim, diferentes distribuições de coeficientes aerodinâmicos. Após esta etapa, analisou-se os dados e definiu-se os modelos de turbulência para a etapa de pesquisa da estrutura deformada, impondo-se os limites de deslocamentos normalizados, conforme expostos no item 2.4. Com isto, foram obtidos os coeficientes aerodinâmicos para a situação de estrutura deformada.
Em todos os casos simulados pela fluidodinâmica considerou-se apenas a ação do vento na direção perpendicular à cumeeira, direção essa em que os coeficientes de pressão externos se apresentam bem distintos em relação às faces de telhado e parede, bem como em relação as posições dos planos à barlavento e à sotavento. Já, na direção do vento paralelo a cumeeira, observa-se que os valores dos coeficientes de pressão são constantes ou pouco variam para as zonas de parede e de telhado, conforme apresentados pela ABNT NBR 16032 (2012) e comprovado em simulação aplicando a técnica de CFD por Ha et al. (2014). No entanto, adverte-se que nas elaborações dos projetos é imprescindível a avaliação do vento na direção paralela, bem como a avaliação dos efeitos nas zonas em que são estabelecidos os coeficientes de alta sucção.