Impostazione del modello ai volumi finit

Nell’ambito dello studio intrapreso sulle coperture fessurate, sono state eseguite analisi termo-fluidodinamiche allo scopo di valutarne, in modo più completo ed analitico, l’incidenza sui parametri microclimatici e sui moti dell’aria all’interno delle strutture oggetto di studio. A tal fine è stato utilizzato il software Fluent 6, un codice CFD commerciale basato sul metodo ai volumi finiti, di largo utilizzo in molti settori dell'industria e del mondo accademico ed attualmente tra i software leader mondiali del mercato per la fluidodinamica computazionale.

La prima fase dello sviluppo del modello ha riguardato la realizzazione di strutture tridimensionali analoghe a quelle utilizzate nelle prove, nelle due versioni, con e senza tetto fessurato, e considerando due diverse altezze delle finestre (0,23 e 0,33 m), come nelle prove sperimentali descritte. Si è cercato, nel limite del possibile, di rispettare la geometria e le dimensioni reali. Nell’ambito degli studi di questa tesi, il programma usato per effettuare la fase di

preprocessing è Gambit, strettamente integrato con Fluent.

Una sessione con Gambit consta delle seguenti fasi:

1) definizione di una geometria che faccia da contorno al modello; 2) definizione di una mesh interna a questa geometria;

3) definizione del solutore con cui analizzare la mesh, delle condizioni al contorno e dell’esportazione della mesh.

In figura 23 è riportata la struttura con fessura di larghezza 4 cm e finestre di altezza 23 cm, così come modellata attraverso Gambit.

Ciascuna delle strutture così configurate è stata quindi inserita all’interno di un dominio di controllo più ampio, lungo 24 m, largo 5 m ed alto 5 m (fig. 24): tali dimensioni sono state fissate dopo aver verificato che la distanza tra le pareti che ne delimitano il contorno e la struttura sia sufficiente a garantire che i campi di

moto, di pressione e di temperatura all’interno della struttura siano dipendenti solo dalla geometria della stessa.

Per ciò che riguarda la creazione della griglia di calcolo, si è adottata una mesh con elementi triangolari e tetraedrici, più fitta in corrispondenza della struttura ed al suo interno, con distanza minima tra i nodi pari a 3 mm a livello della fessura, e progressivamente più lasca via via che si procede verso i limiti del dominio, sulle cui pareti i nodi adiacenti distano 0.9 m. Nelle figg. 25 e 26 è riportata la mesh utilizzata.

c)

b) a)

Fig. 23: Geometria della struttura sperimentale implementata nel modello ai volumi finiti nella versione con fessura di spessore 4 cm e finestre alte 23 cm: a) visione anteriore; b) visione posteriore; c) copertura.

Fig. 24: Dimensioni del dominio di calcolo e posizione della struttura al suo interno.

L1 h a b c L2 d e f h

L1 = 24 m (lunghezza del dominio) L2 = 5 m (larghezza del dominio) h = 5 m (altezza del dominio)

a = 6 m con vento proveniente dal lato basso 12 m con vento proveniente dal lato alto b = 6 m (lunghezza della struttura)

c = 12 m con vento proveniente dal lato basso 6 m con vento proveniente dal lato alto d = 2 m

e = 1 m (larghezza della struttura) f = 2 m

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La scelta delle condizioni al contorno da imporre è stata effettuata sulla base delle casistiche che si è inteso studiare, vale a dire il funzionamento nel periodo diurno e in quello notturno, con venti di diversa direzione e di diversa intensità:

- temperatura dell’aria: 35 °C per il giorno e 18 °C per la notte;

- velocità del vento: 1.0 m/s per il giorno, 0.5 m/s per la notte;

- direzione del vento: da nord e da sud.

Fig. 25: Dominio computazionale e mesh utilizzata.

Fig. 26: Particolari della mesh della struttura: a) finestra bassa; b) finestra alta.

I valori di temperatura assegnati all’interno del dominio corrispondono alla massima esterna diurna (35 °C) ed alla minima esterna notturna (18 °C) rilevate nel corso della fase E della campagna di raccolta dati (par. 8.3.3.5); le condizioni relative alla velocità ed alla direzione del vento corrispondono a quelle medie rilevate di giorno e di notte nello stesso periodo; l’apporto del calore animale è stato simulato imponendo sulla superficie interna del pavimento una condizione al contorno con flusso termico equivalente a quello sperimentale, pari a 43 W/m2 per il giorno e 77 W/m2 per la notte (valori riscontrabili nelle reali superfici di allevamento).

8.4.3. Risultati

Di seguito saranno illustrati i risultati più significativi ottenuti dalle analisi termo- fluidodinamiche effettuate.

Il dato che appare più interessante per i nostri scopi è la conferma del benefico effetto della fessura nel periodo notturno, soprattutto con vento debole (0,5 m/s), tanto nel caso in cui esso provenga da sud (figg. 27a e 27b) quanto nel caso in cui provenga da nord (figg. 28a e 28b).

Fig. 27.a: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione notturna, con fessura, direzione sud (→), velocità 0.5 m/s.

Fig. 27.b: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione notturna, senza fessura, direzione sud (→), velocità 0.5 m/s.

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Conformemente ai risultati sperimentali, con superficie finestrata più ridotta si rileva una maggior efficacia della fessura, mentre con le aperture più grandi prevale l’effetto delle finestre (figg. 29a e 29b). Mentre di notte il maggior gradiente termico tra interno ed esterno si risolve in un maggior moto interno dell’aria ed in una maggiore dispersione di calore verso l’esterno attraverso la fessura e le finestre, di giorno la scarsa differenza di temperatura tra interno ed esterno fa sì che, anche con vento più forte (1 m/s), non ci sia una sostanziale differenza tra le prestazioni delle due tipologie di copertura considerate (con e senza fessura).

Fig. 28.a: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione notturna, con fessura, direzione nord (←), velocità 0.5 m/s.

Fig. 28.b: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione notturna, senza fessura, direzione nord (←), velocità 0.5 m/s.

Fig. 29.a: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione notturna, con fessura, direzione sud (→), velocità 0.5 m/s (superficie finestrata maggiorata).

I risultati evidenziano, comunque, una leggera superiorità della copertura fessurata nell’ipotesi che il vento provenga da sud e con ridotta superficie finestrata (figg. 30a): la finestra all’estremità sud e la metà inferiore della fessura fanno da bocche di entrata dell’aria, mentre la finestra a nord e la parte alta della fessura fungono da bocche di uscita. Aumentando la superficie finestrata, tale leggero beneficio dovuto alla fessura si annulla (fig. 31).

Fig. 29.b: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione notturna, senza fessura, direzione sud (→), velocità 0.5 m/s (superficie finestrata maggiorata).

Fig. 30.a: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione diurna, con fessura, direzione sud (→), velocità 1.0 m/s.

Fig. 30.b: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione diurna, senza fessura, direzione sud (→), velocità 1.0 m/s.

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Con vento da nord, invece, la presenza della fessura ha un effetto pressoché nullo con la finestra più ampia (fig. 32), e addirittura negativo quando la finestra è ridotta (fig. 33 a), per il verificarsi di un cortocircuito tra la finestra sopravento e il tetto, per cui l’aria esterna esce direttamente dalla fessura, lasciando la parte di edificio sottovento meno ventilata e più calda.

Fig. 33.a: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione diurna, con fessura, direzione nord (←), velocità 1.0 m/s.

Fig. 31: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione diurna, con fessura, direzione sud (→), velocità 1.0 m/s (superficie finestrata maggiorata).

Fig. 32: Simulazione termofluidodinamica (isoterme): situazione diurna, con fessura, direzione nord (←), velocità 1.0 m/s (superficie finestrata maggiorata).

Ciò suggerisce che un accorgimento in grado di accentuare l’effetto favorevole della fessura, da adottare non solo in questo specifico caso, ma quale criterio generale, potrebbe essere quello di collocare le finestre ad una quota piuttosto bassa, in modo evitare il possibile formarsi di cortocircuiti nei flussi d’aria e da riuscire a trarre un beneficio anche di giorno, seppur minimo.