Simulación computacional flujo de aire en condiciones de helada radiatia sobre terreno complejo a mesoescala

Abstract

Por medio de herramientas de la dinámica de fluidos computacional se realiza la simulación a soescala del comportamiento del flujo de aire sobre terreno complejo para un sector de la 6ta región de Chile, con el objetivo de simulación las características del fenómeno de heladas radiativas, en donde el flujo de viento se encuentra estratificado en una atmósfera estáticamente estable. La metodología se aplica por medio del software Ansys Fluent V19.1, que resuelve las ecuaciones gobernantes que describen el comportamiento del fluido, sobre un modelo CAD 3D del volumen de control seleccionado, que incluye la superficie del cordón montañoso que condiciona fuertemente la dinámica del fluido, generado a partir de las curvas de nivel en la localidad, por medio del software Global Mapper, AutoCad e Inventor. A partir de los registros de estaciones meteorológicas, se realizó la caracterización del fenómeno de heladas radiativas según las variables de temperatura, humedad relativa, velocidad y dirección del viento para el período más crítico en el cultivo de cerezos, correspondiente al mes de agosto y septiembre entre las 05-08 a.m. En base a las variables meteorológicas mencionadas se generaron las condiciones de bordes requeridas por el simulador: perfil de velocidad, perfil de temperatura potencial virtual y dirección del viento. Previamente a la generación de los perfiles se realiza un tratamiento de las variables por medio de la interpolación inversa ponderada por distancia, para proyectar el comportamiento de estas en la ubicación requerida según los vértices del cuadrante de simulación mesoescala, en donde no existiera coincidencia con alguna de las estación meteorológica. La simulación se realiza en estado estacionario, considerando que el fenómeno físico se encuentra ya desarrollado y que el aire se comporta como un fluido incompresiblenewtoniano, debido a los bajos gradientes de presión y temperatura en los primeros 20 m de altura, donde se concentra el mayor interés en la convergencia de la solución. Se presentan los resultados obtenido para 2 regímenes del flujo: viscoso laminar y viscoso turbulento, este último mediante la selección del modelo SST k -@ que utiliza una mezcla entre los modelos k - E y k - @ para obtener una solución más robusta y exacta en las regiones cercanas a la pared. Finalmente, se comprueba que la simulación logra modelar el comportamiento dinámico y termodinámico adecuadamente según la caracterización del fenómeno físico de heladas radiativas, condicionado en exactitud en vista de las aproximaciones realizadas por la falta de mediciones apropiadas en el sitio de estudio principalmente. Through tools of computational fluid dynamics, the mesoscale simulation of the behavior of air flow over complex terrain for a sector of the 6th region of Chile is carried out, with the objective of simulating the characteristics of the phenomenon of radiative frost, where the wind flow is stratified in a static stable atmosphere. The methodology is applied through of Ansys Fluent V19.1 software, which solves the governing equations that describe the behavior of the fluid, on a 3D CAD model of the selected control volume, which includes the surface of the mountain range that strongly conditions the dynamics of the fluid, generated from contours in the locality, through Global Mapper, AutoCad and Inventor software. From the measurements of meteorological stations, the characterization of the phenomenon of radiative frost was carried out according to the variables of temperature, relative humidity, wind speed and direction for the most critical period in the cherry cultivation, corresponding to the month of August and September between 05-08 am Based on the mentioned meteorological variables, the boudary conditions required by the simulator were generated: velocity profile, virtual potential temperature profile and wind direction. Prior to the generation of the profiles, a treatment of the variables is carried out by means of the inverse interpolation weighted by distance, to project the behavior of these in the required location according to the vertices of the mesoscale simulation quadrant, where there was no coincidence with any from the meteorological station. The simulation is carried out in a steady state, considering that the physical phenomenon is already developed and that the air behaves like an incompressible-Newtonian fluid, due to the low pressure and temperature gradients in the first 20 m of height, where it is concentrated the greatest interest in the convergence of the solution. The results obtained for 2 flow regimes are presented: viscous laminar and viscous turbulent, the latter by selecting the SST k w - @model that uses a mixture between the k - E and k - @models to obtain a more robust and exact solution in the near the wall regions. Finally, it is verified that the simulation manages to model the dynamic and rhermodynamic behavior adequately according to the characterization of the physical phenomenon of radiative frosts, conditioned in accuracy in view of the approximations made by the lack of appropriate measurements at the study site mainly.