Análisis numérico del comportamiento del aire en un sistema de distribución de aire acondicionado empleando los modelos de turbulencia K-E, RNG K-E y el modelo de las tensiones de Reynolds

Numerical analysis of air behavior in an air conditioning distribution system using K-E turbulence, RNG-E and Reynolds tensions methods

En la presente investigación se empleó el método de los volúmenes finitos para simular numéricamente el comportamiento termofluidodinámico del aire en un sistema de distribución de aire acondicionado. Se describió el modelo matemático que rige el comportamiento del flujo de aire en el conducto de distribución y el sistema de ecuaciones obtenido fue cerrado mediante la aplicación un modelo de turbulencia o cierre: para ello se emplearon de forma individual el modelo $k-ϵ$​,el modelo RNG $k-ϵ$​ y el modelo de las tensiones de Reynolds. Fueron simulados tres casos de estudio y los resultados obtenidos de esas simulaciones indican que el modelo $k-ϵ$​ presenta un mejor comportamiento numérico en el problema simulado, generando menores residuos en las variables de flujo y un menor costo computacional.

INTRODUCCIÓN

Los flujos turbulentos están caracterizados por la presencia de campos de velocidad fluctuantes. Esas fluctuaciones mezclan las cantidades de transporte de momento, energía y concentración de especies, y causan que las cantidades transportadas también fluctúen. Como esas fluctuaciones pueden ser de pequeña escala y alta frecuencia, su simulación directa es muy costosa en cálculos prácticos de ingeniería. Para resolver este inconveniente las ecuaciones gobernantes instantáneas (exactas) pueden ser promediadas en el tiempo y en el espacio, obteniendo como resultado un conjunto de ecuaciones modificadas que son computacionalmente menos costosas de resolver. Estas ecuaciones modificadas contienen variables adicionales, las cuales deben ser resueltas en términos de cantidades conocidas mediante la aplicación de modelos de turbulencia.

La selección del modelo de turbulencia en un determinado caso dependerá de consideraciones como la física abarcada en el flujo, la práctica establecida para un tipo de problema en específico, el nivel de exactitud requerido, los recursos computacionales adecuados y la cantidad de tiempo disponible para la simulación.

En un sistema de distribución de aire acondicionado el flujo se caracteriza por presentar un comportamiento turbulento. Actualmente están disponibles una gran variedad de modelos de turbulencia y resulta de interés conocer cuál de ellos presenta un mejor comportamiento numérico en la simulación de este tipo de sistemas.

Esta investigación se realiza con el propósito de encontrar el modelo de turbulencia que resulte más eficiente en la simulación de sistemas de distribución de aire acondicionado.