Resumen de Evaluación de modelos de turbulencia para predecir los flujos de masa de aire interzonas a través de una abertura de escalera para la convección natural y mixta en los edificios

Sergio Vera, Magdalena Cortés, Jiwu Rao, Paul Fazio, Waldo Bustamante Gómez

• español

  El objetivo principal del diseño de edificios es el proveer ambientes interiores productivos, confortables y saludables para sus ocupantes en balance con la eficiencia energética. Aberturas interiores de edificios, tales como las de escaleras, son huellas importantes para el intercambio de calor, aire, humedad y contaminantes. Los flujos de aire interzonas a través de aberturas horizontales no han sido estudiados profundamente debido a su naturaleza transiente y altamente inestable, la complejidad para realizar experimentos, y la escasez de datos experimentales disponibles. La Dinámica de Fluidos Computacional (CFD por su acrónimo en inglés) es una excelente herramienta para avanzar en la comprensión de este fenómeno. En este artículo, se aplica CFD para evaluar el desempeño de cinco modelos de turbulencia de dos ecuaciones: k-ε estándar, k-ε RNG, k-ε realizable, k-ω estándar y k-ω SST, para predecir las condiciones del aire interior y los flujos de la masa de aire ascendente que fluyen a través de una abertura horizontal en una casa de ensayos de dos pisos a escala real. La investigación incluye seis casos con diferentes gradientes de temperatura entre los dos pisos y tres estrategias de ventilación que representan convección natural y mixta. Los principales resultados muestran que las temperaturas son predichas correctamente por todos los modelos de turbulencia, mientras que las velocidades del aire simuladas presentan variaciones mayores entre los modelos de turbulencia evaluados. En general, los modelos k-s estándar y k-ε realizable son los más precisos para predecir las temperaturas interiores y las velocidades de aire para la convección natural y mixta, respectivamente. Además, los flujos de la masa de aire ascendente a través de la abertura horizontal estimados por ambos modelos de turbulencia concuerdan muy bien con los datos experimentales.

• English

  The main objective in building design is to balance energy efficiency with healthy, comfortable and productive indoor environments for the occupants. Interior building openings, such as stairwells, are significant paths for the exchange of heat, air, moisture and pollutants. The interzonal airflow through horizontal openings has not been profoundly studied because of its highly transient and unstable nature, the complexity of carrying out experiments and the limited availability of experimental data. Computational Fluid Dynamics (CFD) is an excellent tool to advance the understanding of this phenomenon. In this paper, CFD is applied to evaluate the performance of five two-eddy viscosity turbulence models (k-ε standard, k-ε RNG, k-ε realizable, k-ω standard and k-ω SST) to predict indoor air conditions and upward mass airflows through a horizontal opening in a full-scale, two-story test hut. This study involves six cases with different temperature gradients between the two floors and with three ventilation strategies that represent natural or mixed convection. The main results show that the temperatures are well predicted by all turbulence models while the simulated air speeds present larger variations among the evaluated turbulence models. Overall, the k-s standard and k-s realizable models are the most accurate ones to predict indoor temperatures and air speeds for natural and mixed convection, respectively. Moreover, the upward mass airflows through the horizontal opening estimated by both turbulence models are in very good agreement with the experimental data.