Qualitative analysis of natural ventilation: comparison between experimental tests on the water table and computational simulations in CFD

Abstract

The optimization of natural ventilation in buildings contributes to the reduction of energy consumption. However, to precisely analyze the physical parameters involving natural ventilation, the use of complex software is required. Nevertheless, to address this limitation, the use of water tables is an accessible and easy-to-handle strategy that allows the visualization of the phenomenon, especially in the early stages of project. Therefore, the objective is to avaluate qualitatively assess whether the results generated on the water table accurately represent the natural ventilation flow in physical models. For this purpose, simplified physical experiments are compared with Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations. The methodology consists of four stages: 1) Determination of the model; 2) Characterization of the water table and its input parameters for experiment development; 3) Description of the configurations adopted in computational simulations; and 4) Analysis of the results. The results were satisfactory, and the qualitative assessment of natural ventilation through the comparison of the water table and CFD simulation tools demonstrated compatibility, with significant similarities in fluid flow characteristics in both the internal and external areas of the dwelling.

A otimização da ventilação natural em edificações contribui para a redução do consumo de energia. No entanto, para analisar precisamente os parâmetros físicos que envolvem a ventilação natural, é necessário o uso de softwares complexos. Contudo, para enfrentar essa limitação, o uso de mesas d'água é uma estratégia acessível e fácil de manusear, permitindo a visualização do fenômeno, especialmente nas fases iniciais de projeto. Portanto, objetiva-se avaliar qualitativamente se os resultados gerados na mesa d'água representam com precisão o fluxo de ventilação natural em modelos físicos. Para isso, experimentos físicos simplificados são comparados com simulações de Dinâmica dos Fluidos Computacional (CFD). A metodologia consiste em quatro etapas: 1) Determinação do modelo; 2) Caracterização da mesa d'água e seus parâmetros de entrada para o desenvolvimento do experimento; 3) Descrição das configurações adotadas nas simulações computacionais; e 4) Análise dos resultados. Os resultados foram satisfatórios, e a avaliação qualitativa da ventilação natural por meio da comparação das ferramentas de mesa d'água e simulação CFD demonstrou compatibilidade, com semelhanças significativas nas características do fluxo de fluido tanto nas áreas internas quanto externas da habitação.