Seralarda doğal havalandırma etkinliğinin sayısal yöntemler kullanılarak modellenmesi
Analysis of ventilation efficiency in a naturally vented greenhouse using numerical methods
Yazar: YALÇIN TOPAÇOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. YAKUP ERHAN BÖKE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Akışkan Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bitkisel üretimde çevre kontrollü üretimin en yaygın ve etkin uygulaması seralarda gerçekleştirilmektedir. Seraların temel işlevi ise bitkilerin gelişmesi için en uygun çevre koşullarını sağlamaktır. Seralardaki iklim kontrolünü istenilen düzeyde tutmak için kullanılan en yaygın yöntemlerden biri doğal havalandırma olarak bilinmektedir.  Doğal havalandırma, daha az enerji, alet ve donanım gerektirmekte ve diğer sistemlere göre daha ucuz şekilde havalandırma gerçekleştirmektedir. Doğal havalandırmanın etkinliği seradaki hava değişim oranı ile tayin edilmektedir. 
Bu çalışmada 6 adet bölmeden oluşan 6000 m2 büyüklüğe sahip topraksız ortamda domates yetiştiriciliği yapılan seranın hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile doğal havalandırma etkinliğinin incelemesi yapılmıştır. Modellenen sera Mir Araştırma ve Geliştirme A.Ş. firmasının Ar-Ge faaliyetlerini gerçekleştirdiği seradır. 
Serada doğal havalandırma yapılması amacıyla çatıda 12 adet kelebek tarzı havalandırma pencereleri ve yan duvarların dört tarafında da havalandırma pencereleri mevcuttur. Söz konusu pencereler rüzgârın geliş yönü ve hızı, dış hava sıcaklığı gibi parametrelere bağlı olarak kontrol sistemi ile dinamik olarak kontrol edilmektedir. Çalışma kapsamında 5 farklı sera modeli oluşturulmuştur. Her model için 3 farklı rüzgar yönünde 0.5-1.5-2.5 m/s hızlarında sayısal analizi gerçekleştirilmiştir. Toplamda 45 adet sayısal çalışma elde edilmiştir. 
Sayısal analiz çalışmalarının tamamı sayısal modelleme amaçlı bir ticari paket programı olan ve içerisinde modelleme işleminin farklı aşamaları için özel modüller bulunduran ANSYS 14 kullanılarak yapılmıştır. Üç boyutlu sera geometrisi Design Modeler programında oluşturulduktan sonra, Meshing modülünde sonlu hacimler metodu kullanılarak ayrıklaştırma işlemi gerçekleştirilmiştir. Sayısal çözümler yaygın olarak kullanılan bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği yazılımı olan Fluent programında yapılmıştır. Son işlemci program olarak da CFD Post yazılımı kullanılarak sıcaklık ve hız alanları görsel olarak incelenmiştir. Sayısal çözümde doğal taşınımın modellenmesinde düşük sıcaklık farklarında doğru sonuçlar veren Boussinesq yaklaşımı, türbülanslı akışın modellenmesinde duvar yakınındaki akışlarda iyi sonuçlar veren RNG k-? modeli kullanılmıştır. Sera içerisinde bulunan bitkilerin akışa karşı göstermiş oldukları direnç ise gözenekli ortam olarak modellenmiştir.
Sayısal çalışma sonuçları ile havalandırma pencerelerindeki kütlesel debi değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen veriler kullanılarak her bir modelin farklı sınır koşulları etkisi altında hava değişim oranı tayin edilmiştir.

Abstract:
The most common and effective method of production in a controlled environment plant production is carried out in greenhouses. The basic function of greenhouses to provide proper environmental conditions for the development of the plants. It is known that naturally ventilation is the most common and effective method to provide desired climate conditions Natural ventilation provides less energy demand, device and equipment than other ventilation systems. Also they are cheaper than the other systems. Natural ventilation efficiency is evaulated by the air ventilation rate. 
In this study, the natural ventilation efficiency of greenhouse that produced the tomato breeding in a soilness environment is investigated  by computational fluid dynamics. The greenhouse area is 6000 m² and it has six division. The modelled greenhouse belongs to Mir Research and Development Company and R&D activities are studied there.
The greenhouse has 12 butterfly-style ventilation windows at roof and ordinary ventilation windows at all wall sides of greenhouse for the purpose of natural ventilation applications. These windows are controlled dynamically that relevant different parameters such as wind direction, wind velocity, outside temperature. Five different greenhouse model is modelled within the scope of this study. The numerical study was realized according to three different wind direction  and 0.5-1.5-2.5 velocity values for each model. 45 numerical case is obtained totally.
Throughout the whole numerical analysis procedure it is made use of the commercial software package ANSYS 14, which has separate modules for different stages of analysis. Having been created 3-dimensional models of the room in the Design Modeler software as the first step of the analysis, discretization of the solution domain has been carried out in Ansys Meshing module employing finite volume method. Numerical solutions have been obtained by means of the well-known computational fluid dynamics software, Fluent; while CFD Post is used for post-processing. Natural convection has been modeled by employing Boussinesq method which yields good results provided with small difference in extremum values of temperature within the space in question. Turbulence is simulated by the RNG k-? model which is reported to be a good approximation especially for near-wall flows. The effect of crop resistance to airflow was simulated by the porous media model.
The mass flow rate is calculated by the results of numerical studies at the ventilation windows.  The air ventilation rate is carried out under the influence of different boundary conditions of each model by using datum that is obtained from results.
The primary aims of ventilation are to dissipate excessive heat, as well as to enhance the exchange of carbon dioxide and oxygen and to maintain acceptable humidity levels since these parameters affect crop development and production.