Model for study of ambience in animal facilities with use of computational fluid dynamics (CFD)

Orientador: Daniella Jorge de MouraTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia AgrícolaResumo: Sistemas de ventilação utilizados em instalações suínas deveriam ser estudados por afetar diretamente a produtividade em granjas, pois a uniformidade e qualidade da distribuição de ar e temperatura é essencial para o bem-estar dos animais em seu ambiente de criação. Os objetivos do presente estudo foram os seguintes: validar resultados simulados, via comparação com dados coletados de temperatura do ar e testar eficiência dos modelos de turbulência; identificar se o posicionamento das entradas e saídas de ar poderia influenciar na distribuição de velocidade e temperatura do ar; comparar simulações realizadas no software OpenFOAM com aquelas feitas no CFX. As simulações foram baseadas em uma instalação comercial com sistema de ventilação por pressão negativa que alojava fêmeas suínas na fase de gestação. A malha foi desenhada utilizando-se o Ansys Icem, consistindo em malhas hexaédricas estruturadas. As coletas de temperatura do ar foram realizadas em 30 pontos ao longo da granja e o anemômetro, alocado em uma plataforma fixa, foram movidos do ponto 1 ao 30, permanecendo seis minutos em cada local. Posteriormente, os dados de cada ponto foram tomados por segundo, resultando em 360 valores, de onde foi retirada uma média. Além das coletas na mesma posição dos pontos 1 e 30, foram realizadas mais duas medidas, próximo às entradas. Também foram coletadas as temperaturas de superfície de piso, paredes, forro e porcas. As simulações no modelo k-? RNG atingiram a convergência estipulada ainda em estado estacionário, com exceção da RMS-H. Ao continuar as simulações em regime transiente a partir dos resultados estacionários, os resíduos caem para valores abaixo de 10-6. Já as simulações com o modelo k-? padrão e SST, apresentaram comportamento diferente, não atingindo a convergência em regime estacionário, com exceção do RMS P-Mass. Já em regime transiente, os resultados ficaram abaixo do RMS estipulado de 10-5. Os modelos de turbulência apresentaram erros relativos médio de 2,1; 1,9 e 2,8% para os modelos k-? padrão, k-? RNG e SST, respectivamente. Os modelos k-? padrão e k-? RNG tiveram praticamente o mesmo gasto computacional, enquanto o modelo SST, apresentou um acréscimo de 20% de tempo para concluir as simulações. A instalação com configuração real mostrou um aumento gradual na velocidade do ar a partir das entradas e zonas mortas nessa região devido à mudança na direção do fluxo de ar. Não houve diferença quando o posicionamento dos exaustores foi alterado e foram mantidas as entradas originais. Os arranjos propostos com somente uma entrada de ar reduziu as áreas de baixa movimentação do ar. Além disso, as variáveis tiveram o mesmo padrão ao longo do plano transversal. As simulações mostraram que os posicionamentos das entradas de ar tiveram maior influência na distribuição de temperatura. Os erros relativos no OpenFOAM comparado coma aqueles coletados na granja variaram de 0 a 4,4% com uma média total de 1,8%, levando um tempo maior para convergir comparados com as simulações no CFX. Conclui-se que foi possível validar o modelo via comparação dos dados de temperatura do ar. Além disso, alterações no posicionamento das entradas de ar exercem maior influência sobre a distribuição de temperatura e velocidade do ar, onde os cenários com apenas uma entrada de ar proporcionou uma maior uniformidade no perfil destas variáveis climáticas. Quanto ao modelo de turbulência, o k-? RNG apresentou um erro relativo médio menor e uma melhor convergência em relação aos outros modelos. As simulações com o software OpenFOAM mostra custo-benefício, porque mesmo levando-se um maior tempo computacional, a compra de uma licença de um software CFD é o maior investimento para quem trabalha com simulaçõesAbstract: Ventilation systems used in swine barns should be studied because it directly affects the productivity in the pig farming sector, since the uniformity and quality of air distribution and temperature is essential to animal welfare in this breeding environment. The objectives of the present study were the following: to validate simulated results by comparing with temperature data collected in the field and to test turbulence models efficiency; identify whether air entrances and exhaust fans positioning influence the air velocity and temperature distribution; compare simulations carried out in OpenFOAM with those using CFX. The simulations were based on a commercial-scale facility with negative pressure ventilation system that housed female swine sows during gestation. The mesh was designed using the Ansys Icem software. Structured hexahedral meshes were chosen. Air temperature was measured in 30 points spread in the facility. The anemometers were allocated on a fixed platform, which was moved until the 30 points were measured. For each point the anemometer remained six minutes and an average for the day was obtained afterwards with the temperature being computed for each of the 360 seconds of the measurement. In addition to the collections in the same position of points 1 and 30 it has been taken two more measurements, near the entrances for the definition of boundary conditions. The temperature of surfaces, walls, ceiling, sows and floor were also collected. The k-? RNG turbulence model simulation reached the stipulated convergence in steady state, except for the RMS-H parameter. When the simulations is carried out using false transient from the steady state, the residues fall to values below 10-6. On the other hand, simulations with standard k-? and SST, behave differently, not reaching the convergence in steady state, except for the RMS P-Mass. The turbulence models showed an average relative error of 2.1, 1.9 and 2.8% for the standard k-?, RNG k-? and SST, respectively. The standard k-? and RNG k-? had almost the same computational expense, while the SST model, presented an increase of 20% of computaional time to complete the simulations. The real scenario showed gradual increase in the air velocity from the air entrances and dead zones in this region due to the airflow direction change. There was no difference when the positioning of the exhaust fans is altered and is kept the original air entrance. The proposed settings with only one air entrance reduced the areas of low air movement. Besides, the variables showed the same pattern along the transversal plane. The simulations displayed that the position of the air inlets had higher influence on the temperature distribution. The errors in the OpenFOAM compared to those collected in the barn varied from 0 to 4.4%. In average, they showed 1.8%, taking a longer computational time to converge compared to the simulations using CFX. It was concluded that it was possible to validate the model by comparison of the air temperature data. In addition, changes in the positioning of the air inlets have more influence on the temperature distribution and air velocity.The scenarios with only one inlet provided a more uniform profile of these climate variables. Regarding to the turbulence model, RNG k-? showed a lower average relative error and better convergence compared to other models. Simulations with OpenFOAM software is cost-benefit, because even taking more computational time, the purchase of a license of a CFD software is a major investment for who work with simulationsDoutoradoConstruções Rurais e AmbienciaDoutor em Engenharia Agrícola142299/2012-0CNP