As condições de contorno aplicadas foram as mesmas para todas as simulações, no que diz respeito ao volume de controle e propriedades dos materiais sólidos e fluidos. Considerou-se as estruturas como indeformável, aplicando o material aço em suas partes, e, o fluido ar com as propriedades conforme descrito na Tabela 3, em que são valores do default do
software Autodesk CFD.
Tabela 3 - Propriedades do sólido e do fluido aplicados nas simulações.
Material Propriedade Valor Unidade
Fluido: ar Massa específica 1,20473 kg m-³ Viscosidade 1,817x10-5 Pa.s Condutividade 0,02563 W/m.K Calor específico 1004 J/kg.K Cp/Cv 1,4 ad. Emissividade 1 ad.
Rugosidade da parede do volume de controle 0 m
Temperatura 19,85 °C
Sólido: aço
Massa específica 7833 kg/m³
Calor específico 465 J/kg.K
Resistividade elétrica 1,7x10-7 Ohm.m
Emissividade 0,3 ad.
Rugosidade da cobertura da estufa 0 m
Temperatura 19,85 °C
Fonte: Autodesk (2017).
Em que:
Cp/Cv – é o coeficiente de expansão adiabática; Cp – é capacidade térmica a pressão constante; Cv – é capacidade térmica a volume constante.
O volume de controle foi definido de acordo com os valores empregados na literatura (KATERIS et al., 2012; HA et al., 2014; NTINAS et al., 2017), respeitando-se que as paredes laterais do volume de controle proporcionassem um sistema antideslizante (“non-slip”), a entrada do fluxo no domínio foi adotado com velocidade constante e a condição de limite de saída permitiu que o fluido deixasse o domínio sem distorções, com pressão nula, conforme ilustração do volume de controle representado na Figura 8.
Figura 8 – Condições de controle aplicadas para simulação CFD.
Fonte: o autor (2019).
Observa-se na legenda da Figura 8 as cores de cada condição de contorno impostas sobre o volume de controle. Basicamente são três condições, sendo estas:
- a condição de entrada (na cor preta), na qual se insere a velocidade constante (m s-1);
- as condições de paredes laterais (em azul), tendo apenas a função de limitar o fluxo no interior do volume, favorecendo o escoamento sem causar distorções – slip/symmetry;
- a condição de saída (em amarelo), na qual é aplicado um valor de pressão de zero Pascal, fazendo com que, por diferença de pressão, o fluxo saia livremente sem causar interferência na sua circunvizinhança.
As dimensões aplicadas para o posicionamento da estrutura no interior do volume de controle foram definidas com base em estratégias sugeridas pela Autodesk (2016) e valores utilizados por outros autores (MISTRIOTIS e BRIASSOULIS, 2002; KATERIS et al., 2012; FRAGOS et al., 2014), aplicando dimensões no volume de controle conforme a altura máxima da estufa. Dessa forma, a grandeza do volume de controle variou conforme a altura da estufa, porém, sempre na mesma proporção, conforme ilustrado na Figura 9.
Figura 9 – Configuração do volume de controle em duas dimensões.
Fonte: o autor (2019).
Os resultados de coeficientes de pressão foram extraídos do plano que corta ao meio o comprimento da estufa, e dessa forma, em relação a direção X, também é a posição referente ao plano que corta ao meio o volume de controle.
Além das dimensões apresentadas no plano da Figura 9, destacam-se as distâncias entre as paredes frontal e posterior da estufa com o volume de controle, que também é de 10 H, sendo H a altura total da estufa, até a cumeeira. Dessa forma, na modelagem tridimensional, a menor distância que se tem entre o volume de controle e a estrutura da estufa é de 9 H (parte superior), e, a maior distância que possui entre eles é de 20 H na região de saída do fluxo (Figura 10).
Figura 10 – Configuração do volume de controle em três dimensões.
3.2.1 Parâmetros de variação utilizados nas simulações
Com o intuito de verificar a influência de fatores numéricos e de turbulência nos coeficientes aerodinâmicos, buscou-se variar três fatores: o número de Reynolds, a densidade de malha com refinamento próximo a estrutura avaliada e os modelos de turbulência. Esses parâmetros de variação foram aplicados tanto para modelos do tipo cobertura em arco (sem deslocamentos e com deslocamentos), quanto para modelos do tipo duas águas.
O número de Reynolds é um dos fatores mais importantes no estudo de fluxos, principalmente os turbulentos. Diferentes autores verificaram a influência deste número na determinação de coeficientes aerodinâmicos, como por exemplo variando-o de 10 até 2.000 (KATERIS et al., 2012). No caso desta pesquisa, foram aplicados valores para os números de Reynolds de 1.200, 2.000, 12.000 e 1.200.000, visando obter o comportamento da distribuição dos coeficientes aerodinâmicos em situações já abordadas por outros autores, além da condição de maior turbulência.
A variação da densidade de malha foi dividida em duas situações, sendo a primeira com a geração automática de malha pelo software Autodesk CFD 2017 e a segunda com o refinamento da malha nas regiões de interesse, isto é, próximas a estufa. Este refinamento da malha aumentou em, no mínimo, dez vezes o número de elementos a serem analisados, além disso, como consequência, obviamente demandou uma maior capacidade de processamento computacional. A malha refinada foi definida com base no teste de independência de malha, apresentado no Apêndice 2.
Quanto aos modelos de turbulência, foram simulados três diferentes (k-ε, k-ω e k-ε RNG), sendo estes os mais comuns utilizados para determinação de coeficientes aerodinâmicos, conforme autores referenciados por Norton et al. (2007).
Todas as três fontes de variação empregadas nas simulações (número de Reynolds, malha, e modelo de turbulência) foram aplicadas de forma que se obtivessem diferentes tratamentos. Esses tratamentos são separados pelo software Autodesk CFD dentro de um projeto, gerando diferentes cenários, conforme apresentados na Tabela 4 para a relação h/s=0,3.
Tabela 4 – Cenários das simulações para a relação h/s=0,3.
Cenários Parâmetros de variação
Reynolds | velocidade vento (m s-1) Malha Modelo de turbulência 1 1.200 | 2,67231E-4 Automática RNG 2 k- 3 k- 4 1.200 | 2,67231E-4 Refinada RNG 5 k- 6 k- 7 2.000 | 4,45385E-4 Automática RNG 8 k- 9 k- 10 2.000 | 4,45385E-4 Refinada RNG 11 k- 12 k- 13 12.000 | 2,67231E-3 Automática RNG 14 k- 15 k- 16 12.000 | 2,67231E-3 Refinada RNG 17 k- 18 k- 19 1.200.000 | 2,67231E-1 Automática RNG 20 k- 21 k- 22 1.200.000 | 2,67231E-1 Refinada RNG 23 k- 24 k- Fonte: o autor (2019).
Além dos 24 cenários destacados na Tabela 4, foram realizadas as simulações com os mesmos parâmetros de variação para a relação h/s=0,6. Dessa forma, perfizeram-se 48 simulações nesta primeira análise das estufas da forma do telhado em arco e, também,48 simulações de estufas da forma do telhado em duas águas, totalizando-se 96 casos com seus respectivos dados e resultados.
O valor da velocidade do vento para cada número de Reynolds quando aplicados modelos com a relação de h/s=0,6 foram os seguintes: Re=1.200, V=1,78093E-4 m s-1;
Re=2.000, V=2,96822E-4 m s-1; Re=12.000, V=1,78093E-3 m s-1; Re=1.200.000, V=1,78093E-1 m s-1.