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Análisis de resultados de simulaciones CFD para la validación de sistemas de ventilación

Análisis de resultados de simulaciones CFD para la validación de sistemas de ventilación


Soler & Palau reflexiona sobre l’ús adequat dels simuladors CFD a l’hora de fer un disseny prestacional, tot mostrant les seves avantatges i els seus inconvenients.


La Dinámica de Fluidos Computacional, más conocida como CFD según sus siglas en inglés, es la herramienta de ingeniería que permite resolver de forma numérica las ecuaciones que gobiernan la dinámica de fluidos.

El continuo y rápido incremento de la capacidad de cálculo de los ordenadores, además del aumento de proyectos cuyos sistemas de ventilación requieren de una justificación más compleja para su aprobación, han hecho de las simulaciones CFD una herramienta cada vez más habitual y requerida.

 

La ventilación de aparcamientos mediante sistema jet fan, la ventilación de atrios, naves industriales o túneles son ejemplos de aplicaciones en las que estas herramientas permiten una validación del funcionamiento del sistema de forma previa a su ejecución. A su vez, el incremento de proyectos con un criterio de diseño prestacional, es decir, con unos objetivos específicos a cumplir, contribuye también al incremento del uso de simulaciones CFD para justificar los diseños efectuados cuya complejidad se ve generalmente aumentada.

De la simulación CFD no puede esperarse un reflejo totalmente exacto de la realidad, pues en el desarrollo de la misma son necesarias varias simplificaciones que hagan el cálculo factible en términos de tiempo, recursos informáticos y humanos. Por ejemplo, no pueden simularse todas las potenciales ubicaciones de fuego, prever todos los posibles fallos de funcionamiento o, en el caso de tratarse de un aparcamiento, comprobar todas las posibles distribuciones de coches en el interior. Sin embargo, sí que se pueden esperar unos resultados de la simulación que permitan validar el funcionamiento general del sistema, siendo una buena praxis la definición del escenario más crítico y a la vez probable como representativo para la simulación y validación. Por lo tanto, un buen análisis del proyecto y del sistema para identificar qué situación puede ser la más demandante es un buen primer paso para llevar a cabo una simulación útil y efectiva.

Uno de los puntos clave en el proceso de la simulación CFD es el análisis de los resultados. Al tratarse de una simulación y no un experimento, es necesario un análisis crítico que permita concluir si los resultados pueden considerarse representativos de la realidad y por lo tanto válidos.

En primer lugar, ya desde la etapa previa a la elaboración del modelo, ciertos aspectos fundamentales deben haberse concretado:

  • ¿Qué queremos validar con la simulación? Los objetivos de la simulación, qué es lo que se va a comprobar y verificar, son aspectos importantes a tener previamente definidos
  • ¿Qué resultados se van a considerar aceptables? De forma previa a la simulación, la existencia de un criterio de aceptación de resultados es importante pues sin ello se dificulta la extracción de conclusiones.
  • ¿Son razonables los objetivos fijados y sus criterios de aceptación para el escenario a simular? Es importante que el escenario definido tenga sentido, tanto físico como funcional, para asegurar que la simulación será útil.

De una forma previa al análisis de resultados, ciertos aspectos del modelo pueden ayudar a comprobar si éstos serán realmente representativos de la situación real:

  • Analizar si las simplificaciones geométricas asumidas en el modelo restan algún aspecto característico y significativo de la arquitectura y geometría del proyecto.
  • Comprobar que las condiciones de contorno se corresponden con el caso objeto de estudio y su modelado es representativo y realista. Se entienden por condiciones de contorno aquellas restricciones sobre variables del cálculo que determinan la solución final y que caracterizan el escenario a simular. Ejemplos de condiciones de contorno serían: velocidad de entrada de aire en un punto de aporte mecánico, velocidad de salida en un punto de extracción, superficie abierta a la atmósfera, ubicación y modelo de jet fan (en caso de estar presentes), carga de fuego, etc.

Se debe ser especialmente cuidadoso con simulaciones de incendio, puesto que la modelización del mismo puede tener un efecto notable sobre los resultados. Aspectos característicos del fuego a definir serían:

  • Dimensiones del incendio.
  • Carga de fuego y curva de incendio.
  • Material a quemar.
  • Pérdidas por radiación.
  • Parámetros de generación de humo.
  • Análisis del mallado. El cálculo CFD se basa en la división del dominio a resolver en pequeños volúmenes, llamados celdas, en los que se resuelven las ecuaciones correspondientes para obtener los valores de las variables (velocidad, presión, temperatura…) en cada punto. El número de celdas puede variar entre centenares de miles a millones en función de la dimensión del proyecto. Cuanto mayor sea el número de celdas, mayor precisión, o resolución (en analogía a la calidad de imagen), podrá obtenerse en los resultados. Parámetros a analizar son:
    • El tamaño de celda. Unas celdas demasiado grandes no detectarán correctamente el efecto que tengan sobre el movimiento de aire elementos que sean más pequeños o del mismo orden que la celda. A su vez, un tamaño de celda demasiado pequeño puede implicar un tiempo de cálculo demasiado elevado para no obtener diferencias significativas en los resultados. El uso de refinamientos de tamaño de celda en áreas más críticas es una buena técnica para optimizar el número de celdas. El tamaño de celda es uno de los criterios que puede ser usado para determinar qué simplificaciones geométricas pueden ser asumidas o no. Al final de este artículo puede encontrarse un ejemplo de dos simulaciones realizadas cambiando únicamente el tamaño de la celda (ver Figura 1 y Figura 2).
    • La forma de la celda. Generalmente, para las aplicaciones de validación de sistemas de ventilación se usan mallados estructurados regulares formados por prismas rectangulares. Sin embargo, para la resolución de las ecuaciones gobernantes de la dinámica de fluidos se considera la forma cúbica como la más adecuada.

Finalmente, una vez se han obtenido los resultados, ciertos criterios pueden ser aplicados previa extracción de conclusiones:

  • Analizar si los resultados son físicamente razonables. Errores en el mallado o en la definición de las condiciones de contorno podrían llevar a resultados que físicamente no son posibles para el escenario simulado.
  • Analizar las condiciones de contorno. Algunos aspectos a comprobar podrían ser:
    • ¿Es el caudal de aire que atraviesa cada punto mecánico de aporte/extracción el que debería ser?
    • ¿Los caudales de aire fluyendo a través de las superficies abiertas son coherentes para equilibrar el sistema en cada punto?
    • En caso de introducirse detectores de humo o de temperatura en la simulación, ¿se corresponde el momento de detección con el de activación del sistema?
    • ¿Funcionan dentro de la simulación los distintos equipos (jet fans, cortinas, puertas cortafuegos) como se esperaría?
  • Analizar las distribuciones de variables:
    • ¿Es apropiada la escala en la que se muestran los resultados?
    • ¿Son representativos los valores mostrados para el análisis de resultados?

Una vez validados los puntos anteriores, se puede proceder al análisis de resultados para extraer las conclusiones del estudio.

  • ¿Se cumplen los criterios de aceptación previamente definidos?
  • ¿Se cumplen por lo tanto los objetivos del sistema?
  • ¿Se considera que los resultados son aceptables y por lo tanto que la simulación es válida y representativa para la verificación del sistema?

En caso afirmativo, podría darse el estudio por acabado, mientras que de lo contrario podría ser necesaria alguna iteración adicional en el proceso de diseño y/o modificar alguno de los datos de la simulación para obtener resultados representativos.

A modo de conclusión, un análisis crítico de los resultados de una simulación CFD es muy importante y necesario para comprobar que éstos son fiables y así poder extraer conclusiones sólidas sobre el funcionamiento del sistema. Debe tenerse especialmente en cuenta que diferencias entre resultados representativos y resultados no válidos pueden ser sutiles en algunos casos y podrían ser pasadas por alto sin un análisis riguroso. Por lo tanto, al ser la seguridad contra incendios un asunto crítico en el diseño de un proyecto, hay que ser cuidadoso y responsable en el uso de las simulaciones CFD y así poder extraer con máxima eficiencia todas las posibilidades que ofrece esta poderosa herramienta.

Figura 1. Ejemplo para simulación CFD de un sistema jet fan para ventilación de aparcamiento.
Dos opciones distintas de mallado: la primera, a la izquierda, muestra una malla cúbica de tamaño de celda 0.8×0.8×0.8m mientras que en la segunda opción, a la derecha, se muestra una malla de celdas cúbicas de dimensiones 0.2×0.2×0.2m.
Nótese como las columnas presentan unas dimensiones características menores que las aristas de las celdas en el primer caso.

 

Figura 2. Distribuciones de velocidades obtenidas tras la simulación CFD para los mallados mostrados en la Figura 1.
Ambos cortes muestran la distribución de velocidades en escala de 0 a 1 m/s en un plano horizontal a 2.6m sobre el suelo, cortando a los jet fans.
Nótese como en el primer caso, correspondiente al mallado de 0.8×0.8×0.8m, los resultados no pueden capturar el efecto de las columnas sobre el desarrollo de las plumas de los jet  fans. Éste queda de manifiesto al no haber velocidades de aire más bajas tras las columnas, como debería esperarse dada la obstrucción que éstas representan al flujo de aire.
Sin embargo, el mallado de 0.2×0.2×0.2m sí que muestra esta obstrucción: puede verse como el desarrollo de la pluma de los jet fans queda afectada por la presencia de las columnas, apareciendo zonas de aire con velocidades más bajas detrás de ellas, como es de esperar.
Por lo tanto, los resultados de la primera simulación no pueden considerarse fiables, al no ser razonables desde un punto de vista físico. Dicha falta de realismo en la solución obtenida se puede atribuir a que el tamaño de celda usado para esta simulación no era el apropiado, pues elementos geométricos significativos, como lo son las columnas, no quedaban representados dentro de la simulación.

 


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