8. CONCLUSIONES PRACTICAS

Capítulo 8.- Conclusiones y formulación de
protocolo simplificado.
Por tanto, ya se han introducido, discutido y justificado cada uno de los elementos que
conforman el “Protocolo de cálculo CFD de coeficientes de transferencia de calor por
convección en recintos”, además del planteamiento y ejecución de tres aplicaciones prácticas
que validan su utilización.
Así, se pasa a analizar en qué grado se ha llevado a cabo la validación conseguida por la
aplicación en el estudio práctico.
Por otra parte, el protocolo fue planteado en los capítulos 4, 5 y 6 de una forma muy general, lo
que implica que su utilización total a cada caso en particular asegura una buena resolución del
problema. Sin embargo, como se ha podido observar a lo largo de todos los casos CFD
planteados durante el desarrollo del presente estudio, algunos de los procesos iterativos
inmersos en este protocolo generan siempre valores similares debido a que las condiciones
operativas son muy parecidas en todas las viviendas.
De esta manera, se realizará una recopilación de dichos valores característicos de algunas
variables y se formulará un “Protocolo Simplificado”. Esto se realiza para mostrar una
alternativa más sencilla y rápida que el “ Protocolo General”, aunque implique un menor nivel
de contrastación.
8.1.- Conclusiones prácticas.
En primer lugar, se muestra una tabla con todos los casos desarrollados durante la confección
del protocolo.
Capitulo
Capítulo 1
Capítulo 2
Capítulo 3
Capítulo 4
Capítulo 5
Capítulo 6
Capítulo 7
Especificación
Número de casos
C.L. Hidrodinámica
6
C.L. Térmica
3
Placa Plana
10
Conducto Interno
6
Modelos turbulentos
7
Caso 1
16
Caso 2
12
Caso 3
11
TOTAL
71
Tabla 8.1.1. Tabla resumen de número de casos formales ejecutados durante el desarrollo del protocolo.
Así, se recuerda que en los casos simples de transferencia de calor convectiva, pertenecientes al
Bloque 1, estimaba el error mínimo que se le suponía a la solución numérica arrojada por el
137
Protocolo. En otras palabras, si el error determinado en los casos prácticos estaba por debajo de
dicho valor, se debía restringir a este valor suponiendo convergencia entre soluciones, y si
estaba por encima, se evaluaba en qué medida era admisible o no dicho intervalo de error. Así
pues, según lo establecido previamente y los valores obtenidos en la práctica:
Intervalo: De sustitución
Δε(%)
<5%
Caso 1.
Caso 2.
Deseado Aceptable Inaceptable
5-10%
10-15%
15%>


Tabla 8.1.2. Se muestran los intervalos de errores de manera diferenciada: En sustitución los errores se sustituyen
por el valor mínimo (5%), en Aceptable se adopta la solución por buena pero con baja calidad, en Inaceptable se
invalida la solución.
En cuanto a los modelos turbulentos preseleccionados en el Capítulo 4, y su correspondiente
método de análisis jerarquizado, queda patente en el capítulo práctico la importancia y utilidad
de implementar los tres modelos, para luego ir perfilando la solución en función de las
soluciones obtenidas de cada uno.
Referente al Método principal de mallado, en el primer caso práctico se compara la utilización
de este con otros dos métodos de mallado alternativos. Estos incluyen un gasto computacional
bastante más elevado que el (prisma-tetra), y se demuestra además que la solución ofrecida por
ambos es similar (<5% diferencia). Así, se valida en su totalidad la utilización de dicho Método
de mallado.
En resumen, la ejecución de los casos prácticos se ha desarrollado de una manera cómoda,
ordenada y directa bajo el seguimiento del Protocolo, por lo que se valida la aplicación de este a
la realización de modelos CFD para viviendas.
8.2.- Protocolo Simplificado.
Para la introducción del Protocolo Simplificado se comenzarán identificando las posibles
variables a introducir, ya que presentan valores característicos en todos los casos ejecutados. Sin
embargo, no todas tienen por qué ser adecuadas para su introducción, o se deba estudiar su
introducción bajo ciertas restricciones.
8.2.1.- Variables Simplificadas.
8.2.1.1.- Tamaño suficiente de elementos en el núcleo fluido.
Si se revisa el Capítulo 7, en cada uno de los casos se concluye que un cierto tamaño de
elemento tetraédrico en el núcleo fluido es suficiente para consolidar la independencia mallasolución. Además, se puede apreciar que este valor resulta ser el mismo para todos estos casos,
por lo que una simplificación bastante precisa sería la de generar la malla bajo dicho valor, sin
necesidad de realizar un proceso iterativo.
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Núcleo fluido
Escala global
0.4 m
Elemento núcleo
0.2 m
Elemento pared
0.1 m
Tabla 8.2.1. Tamaño definido para los elementos en el núcleo fluido de la malla.
8.2.1.2.- Valor arbitrario de comienzo de las iteraciones para y+.
El valor arbitrario que se ha impuesto como valor inicial en “y” para el proceso iterativo de
ajuste del y+ al valor deseado ha sido 0.05 m. Tras la ejecución de los Caso 1 y Caso 2, para
conseguir un valor de y+ igual a la unidad, los valores de “y” han sido:
Caso 1
W1
W2
W3
W4
W5
W6
In_W4
In_W5
In_W1
W2_pri
W6_pri
Δy (m)
0.009
0.005
0.003
0.006
0.004
0.004
0.002
0.002
0.002
0.007
0.007
Caso 2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
Suelo
Techo
Δy (m)
0.001
0.001
0.001
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
0.003
Se puede observar como la solución resulta ser
un orden de magnitud más bajo. Es por ello que
se propone la utilización de un valor inicial de
0.01 m. De esta manera se pretende reducir el
número de iteraciones a realizar.
Tabla 8.2.2. Resumen de valores de “y” convergidos
en el Capítulo 7.
8.2.1.3.- Número de capas prismáticas.
Como otro de los puntos fuertes de esta simplificación, queda patente que el número de nodos
que debe contener la capa limite en una dirección normal a la superficie para que la
representación de esta sea lo suficientemente buena que no provoque dependencia mallasolución, ha convergido siempre para el mismo valor.
De esta manera, se propone la sustitución de dicho proceso iterativo, por la imposición de una
malla con 10 capas prismáticas en la superficie, lo que implica a su vez, 10 nodos contenidos en
capa limite. No obstante, si se quisiera estar totalmente del lado de la seguridad podrían
introducirse 15 capas, aunque para esto halla que llevar a cabo procesos más profundos de
mejora de calidad de malla y suavizados de malla.
Con dicha imposición, se ahorrará la ejecución de uno o dos casos.
8.2.1.4.- Modelos turbulentos y margen de error en la solución.
Las simplificaciones previas estaban referidas a la generación de la malla, en la cual, los valores
conseguidos durante los casos practico han sido similares en todos ellos. No obstante, no ocurre
lo mismo con la discusión de una simplificación en cuanto al empleo de los diferentes modelos
turbulentos. Se recomienda encarecidamente la utilización de los tres modelos turbulentos
especificados, y por consiguiente, la determinación del margen de error correspondiente.
139
No obstante, puede darse el caso de que condiciones temporales no permitan la resolución
triplicada del caso en cuestión y que a su vez, la solución arrojada no sea especialmente crítica.
Bajo estas condiciones podría recomendarse la utilización del modelo k-ε Realizable ya que ha
arrojado soluciones bastante precisas durante todo el estudio, y la teoría predice que tiene un
mayor potencial de resolución que su variante RNG. No obstante, será necesario introducir
sobre dicha solución, un margen de error igual a Δε = 10%, ya que ha sido el valor máximo
establecido de error durante las aplicaciones, el cual se considerará en general suficiente.
8.2.2.- Formulación del protocolo.
Con todas las variables simplificadas dispuestas previamente, se procede a reformular el
protocolo en una variante más simplificada. Esto se realizará mediante la inclusión del
Diagrama de Flujo de mallado prisma-tetra modificado, ya que la mayoría de simplificaciones
se realizan sobre él. Finalmente se incluirá el esquema de protocolo presentado en el Capítulo 6,
con las modificaciones correspondientes.
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Diagrama de Flujo del Algoritmo de Mallado Simplificado.
(DF1_S)
1.- Valores iniciales:
Malla pre-inicial:
Escala global: 0.4 m
Tamaño en núcleo: 0.2 m
Tamaño en superficie: 0.1 m
Capa prismática inicial:
Tamaño: 0.1 m.
Número: 10
5.b.- Modificación de
tamaño de capa
prismática.
2.- Generación de malla.
1. Generar malla Octree.
2. Generar malla Delauny.
3. Generar capas prismáticas.
 Malla generada.
3.- Introducción en “Solver”.
Simulación y obtención de y+
en cada superficie.
4.b.- Nueva
discretización de
dicha superficie.
No
Sí
Para cada Superficie
No
¿y+≈1?
¿Δy+>20?
Sí
4.a.- Solución convergida
De esta manera, además de eliminar un proceso iterativo en el llamado DF1 en el
Capítulo 5, se elimina por completo el DF2, el cual estaba compuesto por otros dos procesos
iterativos para la convergencia del tamaño suficiente del núcleo.
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PROTOCOLO DE MODELADO CFD PARA RECINTOS INTERIORES
1.a.- Datos de entrada.
Geometría.
Condiciones de entrada y salida.
Otros.
1.b.- Objetivo de cálculo (p.ej. Coef. Película).
Determina la precisión requerida en el modelo
CFD (Tratamiento en pared, modelo turbulento).
2.- Generación de geometría.
Modelado en software 3D (p.ej CATIA).
Inclusión superficies de condiciones de
contorno (p.ej. Ventanas)
Alta precisión
3.a.- Selección del modelo turbulento.
k-ε Realizable.
y/o k-ε RNG. + k-ω SST
4.a.- Selección del tratamiento cercano al
muro.
Enhanced Wall Treatment (Tratamiento
detallado)
y+=1 (Requerido).
5.a.- Mallado.
Método de mallado simplificado (prismatetra)
6.a.- Resolución (ANSYS Fluent).
Determinación de condiciones de contorno.
Determinar potencia de resolución.
Monitorización.
+ Resolución Hidrodinámica/Térmica.
7.a.- Extracción de datos y contrastación.
Extracción de datos necesarios.
Δε ~ 10%.
Se han introducido tres modificaciones:
1.- La utilización de k-ε Realizable como único modelo (si resulta inevitable).
2.- La utilización del método de mallado simplificado resumido arriba.
3.- La imposición de un margen de error del 10% si solo se resuelve el caso bajo un modelo turb.
142
8.3.- Líneas Futuras.
La presentación de este documento intenta construir una base sólida sobre la que pueden nacer
una serie de estudios en diferentes ramas. A continuación, se presentan dos orientaciones
diferentes, una orientada a la mejora del presente protocolo, y otra como aplicación de base para
futuros proyectos.
8.3.1.- Mejora del Protocolo.
El protocolo desarrollado se ha consolidado con una base bastante fundamentada, tanto teórica
como experimental. No obstante, debido a la amplia variedad de posibilidades que se presentan
en las herramientas CFD como ANSYS Fluent, fue necesario tomar ciertas decisiones en los
primeros pasos del desarrollo que restringieron dichas opciones alternativas, posiblemente
también válidas. Aunque dichas decisiones se han tomado justificadamente, también podría
justificarse la utilización de estas otras alternativas, las cuales se destacan a continuación.
Estudio de validez de modelos turbulentos menos conocidos (LowReynolds, V2F, etc.)
Como ya es sabido, el estudio se cerró entorno a los modelos RANS de las familias k-ε y k-ω.
Sin embargo, existen otros modelos que o bien no tienen una alta contrastación en la literatura
debido a lo relativamente reciente de su implementación en CFD, o por el desconocimiento de
dichos modelos.
Así, podrían estudiarse los modelos como los “Low Reynolds Number”, v2f, LES, etc. Para
analizar su viabilidad en este tipo de casos.
En cuanto al tipo de mallado, desde el principio se determinó la utilización de mallado mediante
parámetros globales por su relativa comodidad de operación, ya que se definen a nivel general,
y la aplicación de los conocimientos transmitidos mediante un manual como este puede resultar
más sencilla que otros métodos. Sin embargo, existen otras alternativas como podría ser la
utilización de la técnica Blocking 3D (la 2D fue utilizada en el Bloque 1). Con esta se obtendría
una malla más ordenada, lo que podría representar ciertas ventajas a nivel de control local.
Optimización absoluta del número de elementos mínimos en malla.
Aunque el número de elementos en la malla está relativamente optimizado, se ha tomado
siempre una posición conservadora de manera que el tamaño siempre ha estado del lado de la
seguridad. No obstante, podría ser objeto de estudio el análisis de la malla para encontrar el
número de elementos mínimo con el que la solución obtenida tenga un error de dependencia
malla-solución lo suficientemente bajo para ser admisible.
8.3.2.- Aplicación como base para proyectos futuros.
Una vez determinado el protocolo de la manera en la que se ha hecho en este estudio, se obtiene
un documento a modo de Guía para Usuario de tal forma que el modelado de recintos se puede
llevar a cabo de una manera relativamente rápida y cómoda. Esto implica que, el estudio de
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técnicas como Night-Cooling o el cálculo de cargas en la edificación en casos que contuvieran
componentes convectivas fuertes, las cuales podían estar ensombrecidas por la incertidumbre
existente en el punto de cálculo de coeficiente de película, puedan ser estudiadas dejando atrás
este problema. De tal forma que se podrán realizar análisis más profundos y certeros.
Además, este documento permite un aprendizaje autodidacta por parte del lector, lo que podría
facilitar la tarea en la generación de otros Proyectos abriendo así todo un abanico de nuevas
posibilidades.
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