Estudi de la ventilació natural per efecte tèrmic en hivernacles, mitjançant tècniques de visualització de fluids en models a escala

Abstract

L'objectiu del present treball de tesi s'explica al capítol I i consisteix en la posta a punt d'un mètode de laboratori que permeti, utilitzant models a escala i mitjançant tècniques de visualització de fluids i de digitalització i tractament d'imatges, l'estudi dels mecanismes de ventilació natural en els hivernacles en condicions d'absència de vent. <br/>Al capítol II es fa una exposició dels fonaments teòrics de la ventilació natural, centrada especialment en l'estudi de l'efecte tèrmic. Es descriuen les diferents tècniques experimentals que poden ser utilitzades per al seu estudi, ja siguin a escala real o mitjançant la utilització de models a escala i en aquest darrer cas, diferenciant entre les que utilitzen aire i les que utilitzen aigua com a fluid de treball. Es fa també una breu introducció a la utilització de mètodes numèrics per l'estudi de la ventilació, així com a les tècniques experimentals més utilitzades per a la visualització de fluids. Finalment, s'indiquen les tècniques escollides per desenvolupar el mètode de laboratori objecte d'aquest treball, que consistiran en la utilització de models a escala utilitzant aigua com a fluid de treball i afegint sal per produir les diferències de densitat que serien les responsables de la ventilació per efecte tèrmic; la visualització del fluid s'aconseguirà mitjançant l'addició de colorant i les tècniques de digitalització i tractament d'imatges ens permetran quantificar les variables físiques d'interès, que seran interpretades mitjançant l'anàlisi dels criteris de semblança. <br/>L'equipament instrumental necessari tant per la simulació física del flux com per la seva visualització, obtenció d'imatges digitalitzades i processat i anàlisi d'aquestes es descriu en el capítol III i consisteix, esquemàticament, en un tanc d'aigua transparent en el que s'introdueixen les maquetes bidimensionals de l'hivernacle en posició invertida, un equip per la injecció de la solució salina i el colorant a l'interior de la maqueta, un conductímetre que permet mesurar de forma contínua la conductivitat elèctrica en un punt fix d'aquesta i enregistrar els valors obtinguts en un data-logger, una vídeo cambra amb el corresponent magnetoscopi i un ordinador personal equipat amb una targeta digitalitzadora d'imatges i amb el software adient per al processat i anàlisi de les imatges. Per als assaigs de camp s'ha construït un hivernacle a escala real, de característiques similars als utilitzats en els assaigs de laboratori, situat a l'interior d'un hivernacle de dimensions molt superiors per tal d'eliminar l'efecte eòlic; en el seu interior s'han instal·lat dos sensors de radiació neta, dues columnes de sensors per determinar la temperatura de l'aire i sensors per determinar la temperatura del sòl a diferents fondàries. <br/>El mètode experimental de laboratori es descriu amb detall en el capítol IV i consisteix en introduir la solució salina amb el colorant a través d'orificis practicats en el "sòl" del model a escala, de forma que el flux descendent provocat per la solució salina, de densitat superior a la de l'aigua del tanc, simuli el flux de flotabilitat provocat per l'escalfament de l'aire al seu contacte amb el terra, calent per l'acció de la radiació solar. S'analitzen les lleis d'escala i es defineix el paràmetre adimensional (è) que ens permet interpretar els increments de temperatura que correspondrien, a escala real, als increments relatius de densitat obtinguts en els experiments. S'indiquen també les tècniques utilitzades per l'obtenció de les imatges digitalitzades i el seu posterior processat i anàlisi i s'estudia la relació existent entre els increments d'intensitat de gris obtinguts en punts homòlegs de diferents imatges d'un mateix experiment i les concentracions de colorant dels punts esmentats; en ser menyspreable en tots els experiments l'efecte de la difussivitat tant de la sal com del colorant, podrem establir la relació existent entre els increments d'intensitat de gris observats en cada punt (píxel) de les imatges capturades i els increments de densitat corresponents. Es planteja un assaig específic per conèixer amb precisió la relació esmentada. <br/>En el mateix capítol, a fi i efecte d'obtenir, amb procediments diferents, resultats que puguin ésser contrastats amb els obtinguts amb el mètode de laboratori proposat, es planteja un model teòric que permet predir els increments de temperatura esperats en funció de les característiques geomètriques de l'hivernacle i de les condicions exteriors. Amb la mateixa finalitat, es proposen assaigs de camp destinats a fer una estimació dels fluxos de calor existents en hivernacles de característiques similars als utilitzats en els assaigs de laboratori i mesurar els increments de temperatura que en aquests es produeixen. <br/>Els resultats obtinguts en els diferents tipus d'assaigs s'agrupen en el capítol V, on en primer lloc s'indica la relació obtinguda entre la concentració de colorant i l'increment d'intensitat de gris de les imatges , que és de tipus exponencial, si bé en aquells casos en que la disminució de la intensitat de gris sigui inferior al 35% pot establir-se una relació de tipus lineal. En els assaigs de laboratori realitzats amb maquetes a diferents escales d'un mateix tipus d'hivernacle, s'obté la distribució dels valors de è en les seccions transversals dels diferents assaigs, es fa una descripció de les característiques del flux i i s'estableix el número de Reynolds a partir del qual les característiques del flux seran independents de la viscositat, que per la geometria estudiada es situa al voltant de 900. Es formula la metodologia per l'elecció de les condicions experimentals adients (escala de longituds i cabal, increment relatiu de densitat i concentració de colorant de la solució salina) que ens permetin aconseguir, d'una banda, una simulació realista de les característiques del flux i d'altra banda, que els resultats dels experiments ens surtin dins d'un rang de valors que faciliti al màxim la seva interpretació. <br/>En el mateix capítol es presenten els resultats obtinguts de l'aplicació del model teòric proposat i dels assaigs de camp realitzats, així com la comparació d'aquests amb els obtinguts en els assaigs de laboratori, no observant-se desviacions importants entre els increments de temperatura obtinguts pels diferents procediments. Finalment es presenten els resultats obtinguts en assaigs de laboratori realitzats amb altres models d'hivernacles de geometries diferents a la utilitzada com a referència per la posta a punt del mètode, indicant-se en cada cas la distribució dels valors del paràmetre adimensional è; en el cas dels hivernacles multi-túnel, tot i que per limitacions en les dimensions del dispositiu experimental no s'arriba a assolir les condicions necessàries per obtenir una simulació realista del flux, s'observa un comportament d'aquest força diferent d'aquell que seria previsible per aplicació de la teoria de l'eix neutre. <br/>El capítol VI és el dedicat a les conclusions, al mateix temps que s'indiquen alguns suggeriments de cara a la futura continuació de la recerca.

El objetivo del presente trabajo de tesis se explica en el capítulo I y consiste en la puesta a punto de un método de laboratorio que permita, utilizando modelos a escala y mediante técnicas de visualización de fluidos y digitalización y tratamiento de imágenes, el estudio de los mecanismos de ventilación natural en los invernaderos en condiciones de ausencia de viento. <br/>En el capítulo II se hace una exposición de los fundamentos teóricos de la ventilación natural, centrada especialmente en el estudio del efecto térmico. Se describen las diferentes técnicas experimentales que pueden ser utilizadas para su estudio, ya sean a escala real o mediante la utilización de modelos a escala y en este último caso, diferenciando entre las que utilizan aire y las que utilizan agua como fluido de trabajo. Se hace también una breve introducción a la utilización de métodos numéricos para el estudio de la ventilación, así como a las técnicas experimentales más utilizadas para la visualización de fluidos. Finalmente, se indican las técnicas elegidas para desarrollar el método de laboratorio objeto de este trabajo, que consistirán en la utilización de modelos a escala empleando agua como fluido de trabajo y añadiendo sal para producir las diferencias de densidad que serían las responsables de la ventilación por efecto térmico; la visualización del fluido se conseguirá mediante la adición de colorante y las técnicas de digitalización y tratamiento de imágenes nos permitirán cuantificar las variables físicas de interés, que serán interpretadas mediante el análisis de los criterios de semejanza. <br/>El equipo instrumental necesario tanto para la simulación física del flujo como para su visualización, obtención de imágenes digitalizadas y procesado y análisis de estas se describe en el capítulo III y consiste, esquemáticamente, en un tanque de agua transparente en el que se introducen las maquetas bidimensionales del invernadero en posición invertida, un equipo para la inyección de la solución salina y el colorante en el interior de la maqueta, un conductímetro que permite medir de forma continua la conductividad eléctrica en un punto fijo de esta y registrar los valores obtenidos en un data-logger, una vídeo cámara con el correspondiente magnetoscopio y un ordenador personal equipado con una tarjeta digitalizadora de imágenes y con el software apropiado para el procesado y análisis de las imágenes. Para los ensayos de campo se ha construido un invernadero a escala real, de características similares a los utilizados en los ensayos de laboratorio, situado en el interior de un invernadero de dimensiones muy superiores para eliminar el efecto eólico; en su interior se han instalado dos sensores de radiación neta, dos columnas de sensores para determinar la temperatura del aire y sensores para determinar la temperatura del suelo a distintas profundidades. <br/>El método experimental de laboratorio se describe con detalle en el capítulo IV y consiste en introducir la solución salina con el colorante a través de orificios practicados en el "suelo" del modelo a escala, de forma que el flujo descendente provocado por la solución salina, de densidad superior a la del agua del tanque, simule el flujo de flotabilidad provocado por el calentamiento del aire en su contacto con el suelo, caliente por la acción de la radiación solar. Se analizan las leyes de escala y se define el parámetro adimensional (è) que nos permite interpretar los incrementos de temperatura que corresponderían, a escala real, a los incrementos relativos de densidad obtenidos en los experimentos. Se indican también las técnicas utilizadas para la obtención de las imágenes digitalizadas y su posterior procesado y análisis y se estudia la relación existente entre los incrementos de intensidad de gris obtenidos en puntos homólogos de diferentes imágenes de un mismo experimento y las concentraciones de colorante en dichos puntos; al ser despreciable en todos los experimentos el efecto de la difusividad tanto de la sal como del colorante, podemos establecer la relación existente entre los incrementos de intensidad de gris observados en cada punto (pixel) de las imágenes capturadas y los incrementos de densidad correspondientes. Se plantea un ensayo específico para conocer con precisión la citada relación. <br/>En el mismo capítulo, con el fin de obtener, con procedimientos distintos, resultados que puedan ser contrastados con los obtenidos con el método de laboratorio propuesto, se plantea un modelo teórico que permite predecir los incrementos de temperatura esperados en función de las características geométricas del invernadero y de las condiciones exteriores. Con la misma finalidad, se proponen ensayos de campo destinados a hacer una estimación de los flujos de calor existentes en invernaderos de características similares a los utilizados en los ensayos de laboratorio y medir los incrementos de temperatura que en estos se producen. <br/>Los resultados obtenidos en los distintos tipos de ensayo se agrupan en el capítulo V, en el que se indica, en primer lugar, la relación obtenida entre la concentración de colorante y el incremento de intensidad de gris de las imágenes, que és de tipo exponencial, si bien en aquellos casos en que la disminución de la intensidad de gris sea inferior al 35% puede establecerse una relación de tipo lineal. En los ensayos de laboratorio realizados con maquetas a distintas escalas de un mismo tipo de invernadero, se obtiene la distribución de los valores de è en las secciones transversales de los distintos ensayos, se describen las características del flujo y se establece el número de Reynolds a partir del cual las características del flujo serán independientes de la viscosidad, que para la geometría estudiada se sitúa alrededor de 900. Se formula la metodología para la elección de las condiciones experimentales adecuadas (escala de longitudes y caudal, incremento relativo de densidad y concentración de colorante de la solución salina) que nos permitan conseguir, por un lado, una simulación realista de las características del flujo y por otro lado, que los resultados de los experimentos nos salgan dentro de un rango de valores que facilite al máximo su interpretación. <br/>En el mismo capítulo se presentan los resultados obtenidos de la aplicación del modelo teórico propuesto y de los ensayos de campo realizados, así como la comparación de estos con los obtenidos en los ensayos de laboratorio, no observándose desviaciones importantes entre los incrementos de temperatura obtenidos por los distintos procedimientos. Finalmente se presentan los resultados obtenidos en ensayos de laboratorio realizados con otros modelos de invernadero de geometrías distintas a la utilizada como referencia para la puesta a punto del método, indicándose en cada caso la distribución de los valores del parámetro adimensional è; en el caso de los invernaderos multi-túnel, a pesar de que por limitaciones en las dimensiones del dispositivo experimental no se llegan a alcanzar las condiciones necesarias para obtener una simulación realista del flujo, se observa un comportamiento de este muy distinto del que seria previsible por aplicación de la teoría del eje neutro. <br/>El capítulo VI es el dedicado a las conclusiones, al mismo tiempo que se indican algunas sugerencias con vistas a la futura continuación de la investigación.

The aim of the present work is explained in chapter I and consists in setting up a laboratory method that permits, using scale models and through fluid visualization and digital image processing, the study of the natural ventilation mechanisms in greenhouses without a wind effect. <br/>In chapter II, the theoretical basis of natural ventilation is developed, focusing mainly on the study of the thermic effect. Different experimental techniques are described, which may be used for its study, both at full scale or using scale models, and in that last case distinguishing between those using air and those using water as a work fluid. A short introduction on the utilization of numerical methods for the study of ventilation, as well as the most frequently used experimental techniques in fluid visualization is presented. Finally, the chosen techniques to develop the laboratory method subject of the present work are indicated. They consist in the utilization of scale models employing water as a work fluid and adding salt to produce the density differences which are responsible of ventilation by thermic effect. Fluid visualization is achieved by means of dye addition. Digital image processing allows to quantify physical variables of interest. Data are analyzed using similarity criteria. <br/>Instrumental equipment needed for physical flow simulation as well as visualization, digital image processing and analysis is described in chapter III. It basically includes a clear water tank where bidimensional greenhouses scale models are sunk upside-down, a flow pump to inject salty solution and dye inside the model, a conductivity meter measuring continuously at a fixed point of the cross section with a data logger connected to it, a video camera with the corresponding magnetoscope, and a personal computer equipped with an image digitizing card and a software package to process and analyze images. For the field trials, a full scale greenhouse was built up with similar features to those used in laboratory trials, placed inside a much bigger greenhouse in order to avoid the wind effect. Two net radiation sensors were located inside the greenhouse, as well as two sensor columns to measure air temperature and sensors to determine soil temperatures at different depths. <br/>The laboratory method is described with detail in chapter IV. It consists in distributing the salt solution, with the dye, through a set of small holes made in the floor of the scale greenhouse. Thus, the descending flow produced by the saline solution, of density higher than the tank water, simulates the buoyancy flux due to the heating of the greenhouse air in contact with the soil surface, whose temperature is warmer than the surrounding air due to the action of solar radiation. Scale laws are used and a dimensionless parameter (è) is defined in order to convert relative density differences from the scale models into temperature differences in the full scale situation. Techniques used to obtain digitized images are also indicated, as well as their further processing and analysis. The existing relationship between increments of grey intensities obtained at corresponding points of different images from the same experiment, and the dye concentrations at those points are studied. Assuming that salt and dye diffusivity effect is negligible in all experiments, the relationship between grey intensity increments observed at each point (pixel) of the captured images and the corresponding density increments can be established. <br/>In the same chapter, different methods are proposed in order to obtain results that may be faced to those recorded with the trained laboratory method. A theoretical model is proposed in order to predict the expected temperature increments as a function of geometric characteristics of the greenhouse under different external conditions. With the same goal, field trials with greenhouses of similar features to those employed in the laboratory assays are proposed in order to estimate heat fluxes and to measure temperature increments produced inside them. <br/>Results obtained in different types of trials are grouped in chapter V, which points out, in the first place, the relationship obtained between dye concentration and grey intensity increment of images, which results to be exponential. However, in those cases where the reduction of grey intensity is less than 35%, a linear relationship may be established. In all field trials carried out with the same type of greenhouse models at different scales, a distribution of è values in transversal sections of each assay is obtained. Characteristics of fluxes are described. Different experiments are carried out in order to estimate the minimal Reynolds number which allows to neglect viscosity effects. For the shape of greenhouse under study, the minimum Re number to be maintained is determined to be close to 900. A methodology to select the optimal experimental conditions is formulated (length scale, and flow, relative density increment and dye concentration of the salty solution) in order to obtain, on one side, a realistic simulation of flow characteristics and, on the other side, results fallen into a range of values which enable an easy interpretation. <br/>In the same chapter, results obtained from the proposed theoretical model and the field trials developed are presented, as well as the comparison with those obtained in the laboratory. Agreement between the results obtained by the different methods is satisfactory. Finally, results obtained in laboratory assays carried out with greenhouse models of other shapes, different from the one used as a reference for adjusting the method, are presented. In each case distribution of è values are indicated. In the case of the multitunnel greenhouses, dimensions of experimental device do not permit to achieve the required conditions to obtain a realistic flow simulation; despite this fact, the observed behaviour is very different from the one expected by application of neutral level theory. <br/>Chapter VI is devoted to conclusions, as well as some suggestions for aims of future research are pointed out.