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APLICAÇÃO DE FERRAMENTAS CFD PARA DETERMINAÇÃO DO COEFICIENTE DE PRESSÃO EM EDIFICAÇÕES

Meiriele Abreu Alvarenga(1), Álvaro Messias Bigonha Tibiriçá(2); Ronaldo Horácio Cumplido Neto(3), Antônio Cleber Gonçalves Tibiriçá(4),

Henrique Márcio Pereira Rosa(5), Helton Figueira Rossi(6)

Universidade Federal de Viçosa – DEP(1,2,3,5,6) / DAU(4)

Avenida Peter Henry Rolfs, s/n, Campus Universitário, Viçosa - MG, Brasil {(1) meiriele.alvarenga, (2) alvaro.tibirica, (3) ronaldo.neto, (4) tibirica, (5) henrique.rosa, (6) helton.rossi}@ufv.br

ResumoA ventilação natural por ação dos ventos permite aproveitar a energia contida no vento para promover ventilação no interior de edificações, sem a necessidade de sistema mecânico ativo e sem o consumo de energia elétrica. Entre os parâmetros que afetam a vazão de ar dentro dos edifícios está o coeficiente de pressão (Cp). Uma das formas de obtenção do valor desse coeficiente é por meio de simulação computacional, e entre as técnicas de simulação, destaca-se a de CFD (Computational Fluid Dynamics). Este trabalho tem como objetivo simular, utilizando técnicas de CFD, a interação do vento com algumas geometrias simples de edificações com duas aberturas, visando obter o valor do Cp nessas aberturas. Obteve-seresultados de coeficientes de pressão para ventos com perfil de velocidade constante e perfil parabólico com inclinação de 0° e 45º em relação à abertura principal da edificação. Uma comparação entre os valores de Cp para ventos nas duas inclinações e com os dois tipos de perfis foi realizada. Os resultados obtidos mostraram-se coerentes com os encontrados na literatura. Por fim, o procedimento utilizado para obtenção do Cp através de técnicas de CFD mostrou-se adequado para edificações.Palavras-chave: CFD, Coeficiente de Pressão, Edificações, Ventilação Natural, Ventos.

AbstractNatural ventilation by wind action allows promoting ventilation inside buildings without the need for mechanical system and power consumption. Among the parameters that affect the flow of air inside buildings is the pressure coefficient (Cp). One way of obtaining the value of this coefficient is through computer simulation, CFD (Computational Fluid Dynamics). Thiswork aims to simulate using CFD techniques. The interaction of wind with some simple geometries of buildings with two openings, in order to obtain the value of Cp in theseopenings. Results were obtained for the pressure coefficients for wind speed profile withconstant and parabolic profiles with 0° and 45° inclination. A comparison between the valueof Cp to wind the two inclinations, with both types of profiles was performed. Results wereconsistent with literature. Finally, the procedure for obtaining Cp by techniques CFD was suitable for buildings.

Keywords: CFD, Pressure Coefficient, Buildings, Natural Ventilation, Winds.

XIV ENTAC - Encontro Nacional de Tecnologia do Ambiente Construído - 29 a 31 Outubro 2012 - Juiz de Fora

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1. INTRODUÇÃOA diferença de pressão propicia a circulação do ar seja por ação dos ventos ou pela diferença de temperatura existente entre o ar interno e o externo ao edifício, ou ainda, pela combinação desses dois mecanismos. Portanto, para a ocorrência da ventilação natural é necessário a existência de aberturas e diferença de pressão, sem as quais, o ar é impedido de fluir.(ASFOUR, 2010; CLEZAR e NOGUEIRA, 1999). Relacionado a diferença de pressão está o coeficiente de pressão (Cp). Entre as formas de obtenção do valor do Cp estão: 1) medição em campo, limitada ao custo dos instrumentos para aquisição de dados e as próprias condições de vento; 2) experimentos controlados, limitados ao custo dos equipamentos (túnel de ventos, instrumentos de medição) e ao tempo para confecção dos modelos; 3) simulação computacional, limitada à qualidade do modelo utilizado e ao custo do computador e do software de simulação (WANG e WONG, 2009). E ainda, consulta à literatura, limitada as geometrias existentes na literatura. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo simular, utilizando técnicas de CFD, a interação do vento com algumas geometrias simples de edificações com duas aberturas, visando obter o valor do Cp para as aberturas da edificação.

2. METODOLOGIAAs simulações CFD foram executadas com base na metodologia apresentada por Asfour e Gadi (2007) e Cumplido Neto et al. (2011). O modelo dessas simulações foi validado em estudos anteriores executados pela autora (Alvarenga et al., 2012).

2.1. Descrição dos modelos estudadosAs geometrias propostas para a determinação do coeficiente de pressão possuem dimensões de 5 x 5 x 5 m sem aberturas. Além destes, mais três modelos com duas aberturas centrais e opostas de seção quadrada foram construídos para estimativa da vazão no interior da edificação. Como ilustradas na Figura 1, as aberturas possuem área de 12,5%, 25% e 50% da área da face em que se situam. O ambiente é orientado em relação ao vento de forma que o mesmo incida a 0° e a 45° em relação à abertura principal.

Figura 1 – Geometria com dimensões 5 x 5 x 5 m com duas aberturas de áreas (a) 12,5%, (b) 25% e (c) 50% da área da face

(a) (b) (c)

2.2. Descrição dos Modelos CFDTomando como base os estudos efetuados por Asfour e Gadi (2007) e Cumplido Neto et al.(2011), foram determinadas as características da malha, as condições de contorno, o tamanho do domínio e outros parâmetros computacionais. Por se tratar de simulações com dois


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domínios (um atmosférico e outro ambiente interior a edificação), malhas hexadominates no tamanho de 0,1 m e 0,5 m foram geradas para os domínios interno e externo, respectivamente. As dimensões de 30 x 30 x 20 m, utilizadas por Asfour e Gadi (2007), foram utilizadas para modelar o domínio externo. As geometrias com aberturas de áreas variáveis foram modeladas e o software Ansys CFX 13 foi utilizado para a execução de todas as simulações.

As delimitações das geometrias das edificações foram modeladas como paredes e a condição de contorno do tipo interface foi inserida às suas aberturas (janelas). Para vento a 0°, todas as faces do domínio externo, exceto as de barlavento e sotavento, foram consideradas paredes. As exceções foram modeladas como entrada (inlet) e abertura (opening), respectivamente. Para ventos a 45°, apenas as faces superior e inferior foram tratadas paredes; duas faces foram postas como entrada e as outras, como aberturas. Foram obtidos resultados para ventos com perfil de velocidade constante e perfil parabólico.As equações de velocidade que descrevem cada um dos perfis de vento foram inseridas às entradas do domínio externo. A pressão relativa foi posta como nula na abertura. Considerou-se escoamento incompressível e isotérmico, pressão de referência de 1,0 atm (101320 Pa) e temperatura do fluido de 25,0 ºC. Foram utilizados o modelo de turbulência k-ε e o critério de parada de erro RMS de 10-4.

2.3. Cálculo do coeficiente de pressãoAo considerar escoamento em regime permanente de fluido sem viscosidade e incompressível, o coeficiente de pressão pode ser expresso pela Equação 1, com Px sendo a pressão no ponto de interesse, e P0 e U0 a pressão e a velocidade do vento no ponto de referência posicionado na mesma altura do ponto de interesse antes do vento sofrer pertubação do objeto (edificação) em estudo.

Cp = (Px – P0)/(0,5.ρ. U02) [Eq. 01]

Para determinação do Cp foram utilizados somente os modelos sem aberturas. Em cada modelo de edificação, dois valores de Cp foram estimados: um no centro da abertura frontal eum no centro da abertura posterior. Cada ponto fornecia um valor de pressão para inserção na Equação 1. Um ponto, na altura média da geometria, em fluxo não perturbado e a barlavento, foi criado para obtenção de P0 e U0.

2.4. Estimativa da vazãoPara cada modelo de edificação com aberturas foi obtida a vazão de ar no interior do ambiente. Este valor foi utilizado para comparação com os valores obtidos analiticamente(Equação 2) a partir do Cp encontrado para simulação CFD sem aberturas.

pspeefd CCVACQ −⋅⋅⋅= [Eq. 02]

onde Q é a vazão volumétrica, Cd é o coeficiente de descarga, Aef é área efetiva, V é a velocidade e Cpe e Cps são os coeficientes de pressão na entrada e saída da edificação, respectivamente. Foi utilizado o valor habitual de 0,6 para o coeficiente de descarga.


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3. RESULTADOSAs distribuições de pressão no plano vertical (perpendicular ao modelo) para a geometria sem aberturas e ventos incidentes a 0° e a 45º em relação à parede frontal da edificação, com perfis constante e parabólico, são mostradas nas Figuras 2 e 3. A pressão é a única grandeza variável na estimativa do Cp (Equação 1)

Figura 2 – Distribuição de pressão para a geometria com aberturas de área 25% da face com vento a 0° e perfil(a) constante e (b) parabólico

(a) (b)

Figura 3 – Distribuição de pressão para a geometria com aberturas de área 25% da face com vento a 45° e perfil(a) constante e (b) parabólico

(a) (b)

A Tabela 1 apresenta valores, obtidos por simulação CFD, de coeficientes de pressão (nas aberturas frontal e posterior da geometria obtido através de simulação de modelos sem aberturas) e a vazão para cada ambiente estudado (obtidos para simulação com aberturas), para os diferentes ângulos de incidência e perfis de vento, e com variados tamanhos de aberturas.

Os resultados permitem verificar uma diferença máxima de 22,1% entre a vazão obtida analiticamente e a vazão obtida através de simulação CFD. Estes valores mostram que um grau de concordância alto entre o cálculo da vazão através do modelo analítico utilizando os coeficientes de pressão obtidos através de CFD, e as vazões obtidas através de simulação CFD para os casos com aberturas. Como o coeficiente de descarga foi utilizado com valor constante de 0,6, uma parte dessa diferença pode ser explicada pela incerteza no valor deste coeficiente.


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Tabela 1 – Coeficientes de pressão e vazão obtidos através de simulações CFD para as geometrias propostas

Ângulo de incidência do

vento (°)

Perfil de velocidade do

vento

Área da abertura*

(%)

CpePressão

CpsPressão

Qr (m³/s)CFD

Q (m³/s)Analítico

Diferença(Q-Qr)/Qr

12,5 2,066 2,328 12,7%25 4,528 4,657 2,8%constante50

0,992 -0,5509,929 9,313 -6,2%

12,5 2,326 2,327 0,0%25 4,637 4,654 0,4%

0

parabólico50

0,974 -0,5669,228 9,307 0,9%

12,5 1,242 1,296 4,3%25 2,399 2,592 8,0%constante50

0,431 -0,5445,292 5,184 -2,0%

12,5 1,100 1,282 16,5%25 2,100 2,564 22,1%

45

parabólico50

0,401 -0,5534,781 5,128 7,3%

*Percentual em relação à face a montante.

4. CONCLUSÃOEste trabalho utilizou técnicas de simulação CFD para estimativa do coeficiente de pressão (Cp) em edificações. Foram obtidos Cp para ventos a 0o e a 45º com perfil constante e parabólico. Em todos os casos foram também simulados ambientes com duas aberturas para comparação do resultado obtido analiticamente e o obtido através de simulação CFD para vazão. Os resultados mostraram bom grau de concordância. De modo geral, pode-se concluir que a utilização de simulação CFD para levantamento do Cp e da vazão em edificações é promissora.

REFERÊNCIASASFOUR, O.S. Prediction of wind environment in different grouping patterns of housing blocks. In: Energy and Buildings, v. 42, p. 2061-2069. 2010.

ASFOUR, O.S.; GADI, M.B. A comparison between CFD and Network models for predicting wind-driven ventilation in buildings. Building and Environment, v. 42, p. 4079-4085. 2007.

CLEZAR, C. A; NOGUEIRA, A. C. R. Ventilação Industrial. Editora da UFSC, Florianópolis, Brasil. 1999.

CUMPLIDO NETO, R.H.; TIBIRIÇÁ, A.M.B.; TIBIRIÇÁ, A.C.G.; CAMPOS, J.C.C. Um roteiro para simulação CFD de ventilação natural por ação dos ventos em edificações. In: XI ENCAC/VII ELACAC, Rio de Janeiro, Brasil. 2011.

FORDHAM, M. Natural Ventilation. In: Renewable Energy, v. 19, p. 17-37. 2000.

MENDES, N.; WESTPHAL, F.S.; LAMBERTS, R.; CUNHA NETO, J.A.B. Uso de instrumentos computacionais para análise do desempenho térmico e energético de edificações no Brasil. In: Ambiente Construído, v. 5, n. 4, p. 47-68. 2005.

WANG, L.; WONG, N.H. Coupled simulations for naturally ventilated rooms between building simulation (BS) and computational fluid dynamics (CFD) for better prediction of indoor thermal environment. In: Building and Environment, v. 44, p. 95-112. 2009.

AGRADECIMENTOS Os autores agradecem à FAPEMIG, FUNARBE e CNPq pelo apoio financeiro ao grupo de pesquisa.


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