Simulação numérica dos campos térmico e hidrodinâmico em estufas de plasticultura

Abstract

A presente dissertação de mestrado apresenta um método numérico de solução de um transiente periódico típico que ocorre em estufas com cobertura plástica utilizadas na agricultura. Em regiões que apresentam baixas temperaturas em períodos do inverno, tem-se um decaimento da produção, ou mesmo a destruição dos vegetais. É apresentada uma simulação de um sistema de baixo custo financeiro, visando a melhora da situação de inverno. Com a intenção de reduzir os picos de temperatura negativos que ocorrem durante algumas noites, foi adotada uma solução que visa aumentar a quantidade de calor armazenado durante o dia para que ele possa ser utilizado durante a noite. Ela consiste em armazenadores de calor em forma sensível: água contida em tonéis de 200 l, introduzidos no interior da estufa. A razão de aspecto da estufa, relação comprimento largura, é 5:1. A estufa possui altura média de 3 m e o solo é considerado até 1m de profundidade. A abordagem numérica é realizada através do Método dos Volumes Finitos, sendo realizada em forma transiente não linear, bidimensional e cartesiana. A temperatura externa e a radiação solar são introduzidas com passo de tempo de 15 min, e com período de 24 h. O modelo de turbulência - para baixos números de Reynolds foi adotado para resolver a convecção natural turbulenta. Utiliza-se o modelo de Jones e Launder, 1972 modificado por Henkes et. al., 1991. O presente código computacional é validado através de trabalhos da literatura que abordam o estudo de convecção natural turbulenta em cavidades com paredes diferentemente aquecidas. São apresentados resultados para os campos de temperatura, função de corrente e velocidade. É simulada a estufa sem e com a presença dos tonéis. O nível entálpico das massas no interior da estufa é comparado durante o transiente. A presente abordagem é comparada com a empregada em Vielmo e Schneider, 1997, que utiliza um modelo de turbulência simplificado, onde a viscosidade é aumentada adequadamente para simular o escoamento turbulento da mesma estufa.

This dissertation presents a numerical method for the solution of a typical periodic transiente phenomenon that occurs in agricultural plastic covered greenhouses. In regions where there are low temperatures during the winter season, there is a yield reduction or even the total loss of the produce. A low cost system simulation is presented, aiming at a winter season performance improvement. A solution to increase the heat stored during daytime to be used at night was adopted, with the goal of reducing the peaks of negative dawn temperature. It consists in storage for sensible heat: water stored in 200 liters barrels kept in the greehouse. The aspect ratio (length to width relation) of the greenhouse is 5:1. Its average height is 3 meters, and the soil is considered to the depth of 1 meter. The numerical analysis is performed throughout the Finite Volume Method, using a two-dimensional Cartesian nonlinear transient model. External temperature and solar radiation are introduced with a 15 minutes time step within a period of 24 hours. The - turbulence model for low Reynolds numbers was adopted to model the turbulence natural convection. It was used the model of Jones and Launder, 1972, modified by Henkes et al., 1991. This computational code is validated through published solutions of turbulence natural convection in cavities with unequally heated. Results for the temperature, stream function and velocity fields are presented. The greenhouse is simulated both with and without the barrels. The enthalpy level of masses inside the greenhouse is checked during the transient. The present approach is compared to the work of Vielmo and Schneider, 1997, which uses a simplified turbulence modeling in the same greenhouse, where the turbulence is accounted for throughout an adequate increase in the viscosity.