Simulación y modelación de la ventilación en invernaderos de Almería mediante la utilización de dinámica computacional de fluidos

Con el objetivo de avanzar en el conocimiento de la influencia de los distintos factores de diseno en la ventilacion de los invernaderos de tipo Almeria, se ha desarrollado un modelo de Dinamica de Fluidos Computacional (CFD). Para ello se ha utilizado el programa comercial ANSYS/FLOTRAN v6.1-12.0 basado en el Metodo de Elementos Finitos (MEF) proporcionando una descripcion bidimensional estacionaria del microclima del invernadero (patron de flujo de aire y distribucion de temperatura). El flujo de aire a traves de las mallas anti-insectos y el cultivo fue descrito en el modelo de CFD a traves de una aproximacion a medios porosos. Las mallas anti-insectos fueron modeladas mediante sus propiedades aerodinamicas, permeabilidad Kp y factor inercial Y, medidas experimentalmente. El efecto de resistencia aerodinamica producido por el flujo de aire a traves del cultivo puede ser modelado como una funcion de la densidad de area foliar y el coeficiente de arrastre, CD. Para obtener los parametros aerodinamicos necesarios para su modelacion, se evaluo la resistencia al flujo de aire de las mallas anti-insectos del invernadero y del cultivo mediante un tunel de viento de baja velocidad. Los resultados obtenidos en este trabajo sugieren que se puede utilizar una ecuacion basada en el espesor em, en las propiedades aerodinamicas (permeabilidad Kp y factor inercial Y) de la malla y el numero de Reynolds Rep para calcular su coeficiente de caida de presion, F2? em? Kp0.5? (RepY). Los valores del coeficiente de resistencia aerodinamica CD obtenidos para tomate, pimiento, berenjena, judia, calabacin, melon y calabaza fueron 0.26, 0.23, 0.23, 0.22, 0.25, 0.21 y 0.22, respectivamente. El modelo final de CFD fue comparado para su validacion con datos experimentales obtenidos en un invernadero tipo Almeria en «raspa y amagado» de 5 modulos equipado con ventanas laterales y cenitales. Se obtuvieron errores cuadraticos medios (RMSE) entre 2 y 2.9oC y entre 0.13 y 0.27 m? s-1 para la temperatura y la velocidad del aire, respectivamente. Tambien se realizo una comparacion de la eficiencia de calculo del ANSYS/FLOTRAN basado en el MEF y del programa ANSYS/FLUENT, basado en el Metodo de los Volumenes Finitos (MVF), ampliamente utilizado como codigo de CFD en trabajos de investigacion sobre ventilacion. Como media, para los 4 casos correspondientes al invernadero Almeria vacio, el MEF requiere un 37% menos de tiempo de calculo por elemento e iteracion que el MVF, mientras que la cantidad de memoria necesaria fue aproximadamente 10 veces mayor para el MEF. El modelo de CFD fue utilizado tras su validacion para evaluar el efecto de diferentes parametros que influyen en la ventilacion de los invernaderos: anchura y numero de modulos del invernadero, superficie de ventilacion, localizacion y tipo de las ventanas, presencia de mallas anti-insectos con diferentes porosidad e incidencia de las plantas. Fue observada una reduccion en la tasa de ventilacion entre el 50 y 88% cuando aumentaba la anchura de 9 a 45 m. El uso de mallas anti-insectos disminuye alrededor de un 50% la tasa de ventilacion y la presencia de un cultivo dentro del invernadero reduce la velocidad del aire a nivel del suelo aumentando en la zona sobre el cultivo. Las maximas tasas de ventilacion se consiguen cuando las ventanas laterales enrollables estan totalmente abiertas. Los resultados predichos con CFD indican que un invernadero Almeria con cinco ventanas cenitales abatibles abiertas a sotavento y dos ventanas laterales puede conseguir mayores tasas de intercambio de aire que con las ventanas abatibles abiertas a barlovento. Finalmente, las tasas de ventilacion simuladas para todos los casos estudiados han sido comparadas con las predichas mediante diferentes modelos derivados de la ecuacion de Bernoulli. La mejor concordancia entre las tasas de ventilacion simuladas con CFD, GCFD y las calculadas con los modelos, GM, fue obtenida para el modelo que considera la distribucion de presion resultante como la suma de los campos de presion debidos a los efectos de flotabilidad y del viento.