Como a Modelagem de Fluxos e Zonas Vortex Pode Otimizar os Sistemas de Ventilação e Reduzir o Consumo de Energia

A ventilação é um aspecto essencial no design de ambientes internos, com impactos diretos no conforto, saúde e eficiência energética. No entanto, a maioria dos sistemas de ventilação convencionais ainda apresenta grandes desafios relacionados à eficiência energética e à redução de custos operacionais. A análise de fluxos turbulentos e zonas vortex em componentes de sistemas de ventilação tem se mostrado uma solução promissora para enfrentar esses problemas. O conceito de "ventilação vortex" surge como um método inovador que utiliza a modelagem de zonas vortex para otimizar o desempenho dos sistemas de ventilação, minimizando o consumo de energia e aumentando a eficácia geral.

Os fluxos separados em componentes do sistema de ventilação, como condutores e aberturas de exaustão, têm sido objeto de estudo nos últimos anos, especialmente no que se refere à análise computacional de dinâmica de fluidos (CFD). Este estudo oferece uma visão aprofundada de como a modelagem das zonas vortex pode ser aplicada para otimizar o formato e as dimensões dos elementos do sistema de ventilação, de forma a reduzir a resistência aerodinâmica e melhorar a eficiência energética do sistema como um todo.

O conceito central da ventilação vortex envolve a alteração da geometria das peças de ductos e exaustores para criar zonas vortex controladas, as quais, ao contrário das zonas de fluxo turbulento desordenado, reduzem a resistência ao fluxo de ar e, assim, diminuem a quantidade de energia necessária para manter o fluxo constante. Essas zonas vortex são formadas ao longo das linhas de contorno de componentes como aberturas laterais e dianteiras, reduzindo a necessidade de ventiladores maiores, o que, por sua vez, diminui os custos de capital do sistema e os custos operacionais a longo prazo.

Além da modelagem das zonas vortex em componentes simples de sistemas de ventilação, como aberturas de exaustão redondas e fendas laterais, a metodologia pode ser expandida para aplicações mais complexas, como tees de exaustão assimétricos e expansões repentinas. A investigação de fluxos separados nesses componentes e sua interação com as zonas vortex revela como as características geométricas e os regimes de fluxo influenciam o desempenho aerodinâmico e a eficiência energética do sistema. A modelagem precisa dessas condições permite otimizar as formas e tamanhos dos componentes, obtendo uma maior redução no consumo de energia.

A pesquisa também aborda a aplicação dessas técnicas em sistemas de ventilação mais avançados, onde as oportunidades de desenvolvimento incluem a introdução de novos elementos de ajuste, como peças de ductos com formas especiais, que podem melhorar ainda mais a captura de contaminantes, por exemplo, em locais como salões de manicure. A utilização de calculadoras de LDC (coeficiente de arrasto local) online, desenvolvidas pelos autores, facilita a implementação dessas técnicas em projetos práticos.

Importante destacar que, ao explorar o potencial da ventilação vortex, os designers devem também considerar as implicações ambientais, como a redução de emissões de poluentes, e a viabilidade econômica dos projetos. A modelagem e a implementação dessas inovações tecnológicas podem contribuir para a construção de sistemas de ventilação mais eficientes, que não apenas atendem às necessidades operacionais, mas também minimizam o impacto ambiental e os custos operacionais.

Como a Forma do Contorno Afeta a Eficiência do Modelamento de Elementos de Dutos em Simulações Numéricas

A análise de um conjunto de coordenadas carregadas em um programa tem como objetivo a remoção de valores intermediários, permitindo ao usuário visualizar o resultado e optar pela exclusão de mais pontos ou retornar ao estado original. A exclusão dos pontos deve ser feita de modo que a polilinha que define a forma resultante reflita o perfil suave original, evitando detalhes excessivos que poderiam sobrecarregar o gerador de malha computacional e tornar a computação no processador mais complexa. Após alcançar um número ótimo de pontos, o pré-processador (construtor de malhas) deve ser executado para construir a malha utilizando essas coordenadas.

No estudo das formas de contorno VZ para elementos de ajuste 2D, onde a dimensão de profundidade (normal ao plano de desenho) excede significativamente outras dimensões, surge a questão de como o contorno da VZ difere dos contornos da VZ em elementos "compactos" (com seção quadrada ou retangular). Um estudo foi conduzido utilizando um cotovelo de 90° (Figura 2.5), cujos resultados foram publicados em Ziganshin (2015). As células de malha 3D possuem forma hexaédrica, e a malha original (não refinada) apresentava os seguintes parâmetros: comprimento da aresta da célula de 0,1 m, totalizando 120 células e 484 nós na área de cálculo.

No estudo de "convergência da grade", as dimensões das células computacionais foram refinadas progressivamente. Cada estágio de adaptação incluía a condução de uma solução enquanto os parâmetros característicos do tipo específico de problema eram monitorados. Os três primeiros estágios de adaptação foram realizados em toda a área de cálculo. Posteriormente, para garantir melhor resolução da camada limite, cinco estágios de refinamento foram realizados para a área de fluxo adjacente às fronteiras sólidas. Após oito estágios de adaptação, as dimensões das células lineares foram reduzidas para 0,4 mm e a malha totalizou 74,5 · 10⁶ células e 105,5 · 10⁶ nós computacionais.

Os resultados da solução do problema LDC para duas versões finais da malha (No. 7 e 8) diferiram em cerca de 1%, demonstrando a independência da solução em relação ao tamanho das células da malha computacional. O valor LDC desviou-se dos dados de Idel’chik (1992) em cerca de 16%, mostrando um bom alinhamento dos resultados numéricos com os dados experimentais conhecidos, uma vez que a discrepância pode ser atribuída em parte aos erros inerentes à experimentação.

A distância entre as duas seções mais externas (próximas às paredes laterais) foi escolhida para ser duas vezes menor que as demais. A Figura 2.6a mostra a zona de separação do fluxo 3D obtida dessa maneira, que será usada como a primeira versão do modelo de cotovelo moldado. Observa-se que a VZ possui contornos bastante complexos — sua altura e comprimento são maiores na parte central do duto e diminuem à medida que se aproximam das paredes laterais da curva. A superfície que delimita a VZ na área entre a seção transversal mais externa e a parede declina linearmente até zero (linha tracejada 1 na Figura 2.6d), uma vez que se assume que não há VZ na parede.

A linha tracejada 1 na Figura 2.6d mostra a forma transversal de tal VZ a uma distância de y = 0,1 m da borda afiada do cotovelo. Uma forma mais fácil de desenhar e estudar pode ser obtida sem reduzir a forma a zero como no primeiro caso, mas continuando-a em direção perpendicular à parede do cotovelo, como mostrado pela linha sólida 2 na Figura 2.6d. A superfície resultante é mostrada na Figura 2.6b e pode ser usada a partir desse momento como a segunda versão do modelo de cotovelo moldado.

Os modelos numéricos respectivos foram projetados e calculados para as três opções de moldagem descritas acima. Considerando que a área adjacente à parte moldada é bastante complexa nas primeiras e segundas versões, ela foi coberta por uma malha computacional com células tetraédricas pequenas (~2 mm) desde o início. Nas áreas retas do duto, as dimensões das células lineares estavam na ordem de 10 mm. O total de células foi de cerca de 500.000. Para a terceira versão, devido ao contorno mais simples da área moldada, a malha foi baseada em células hexaédricas, mas para observar o contorno suave, uma malha fina com dimensões de células lineares de 1,6 mm foi utilizada desde o início em todo o espaço computacional. Essa malha contou com um total de 985.000 células. O processo de solução para todos os problemas incluiu um estudo de "convergência da grade". Os parâmetros finais da malha, após uma série de adaptações, estão apresentados na Tabela 2.2.

Ao final, a malha deve produzir valores LDC com diferenças inferiores a 1,5% em relação ao estágio anterior de adaptação (usando uma malha mais grosseira). A mesma tabela mostra os valores de LDC e o percentual de redução do LDC em comparação com o design não moldado. Pode-se observar que as versões que utilizam perfis 3D (No. 1 e 2) reduzem drasticamente o LDC em comparação com o design não moldado (~54%) e não são muito diferentes entre si. O uso de uma forma derivada de simulação 2D (opção #3) também resulta em uma redução significativa do LDC, que não fica muito atrás (cerca de 9%) das opções #1 e #2.

O uso de formas derivadas de simulação 3D enfrenta dificuldades tanto na etapa de simulação numérica para a geração das formas quanto na subsequente fabricação dos acessórios moldados. Além disso, o uso de tal forma complica excessivamente o design dos acessórios do duto, enquanto o benefício da redução do LDC é modesto em comparação à moldagem 2D. Portanto, concentraremos nossos estudos subsequentes nos modelos 2D de acessórios de duto e usaremos os contornos 2D resultantes para desenvolver designs energeticamente eficientes.