Análisis CFD de diferentes diseños para una estación meteorológica de pequeñas dimensiones

Abstract

El abrigo o garita meteorológica tiene la finalidad de proteger los sensores de temperatura y humedad de la radiación solar y evitar el sobrecalentamiento del abrigo. Sin embargo, el tipo de material y la geometría de la garita meteorológica, así como la presencia o no de recubrimiento, pueden conducir a valores diferentes de ciertas magnitudes de interés indicadas por la Organización Meteorológica Mundial (OMM), en el interior de la garita, principalmente a las horas de intensa radiación solar (por ejemplo, al mediodía). El objetivo de este trabajo es determinar el mejor material y el mejor diseño de garita meteorológica, entre una serie de propuestas seleccionadas, para dos escenarios meteorológicos planteados, mediante simulaciones de Computational Fluid Dynamics (CFD) y análisis térmico. Se determinará también la conveniencia o no de aplicar un recubrimiento de pintura blanca. Concretamente, se han considerado cuatro geometrías. Las dos primeras cumplen con las recomendaciones de la OMM en cuanto a diseño, pero mientras que una tiene las dimensiones normalizadas, la otra se ha realizado en un tamaño menor. El par de geometrías restantes son diseños alternativos innovadores/originales. Estas geometrías han sido simuladas bajo diferentes condiciones, con diferentes materiales (madera, PVC y caucho) y recubrimientos (con pintura blanca o sin) para determinar cuál es el mejor diseño, es decir, en este caso, cuál mantiene su temperatura interior lo más baja posible. Para el estudio de las diferentes configuraciones, se ha utilizado dos software: el primero ha sido Solid Edge, empleado para realizar las geometrías en CAD, y el segundo SolidWorks, para las simulaciones CFD y de análisis térmico. Los resultados obtenidos indican que las garitas de menor tamaño mantienen la temperatura interior más parecida a la externa Entre estas, la de diseño clásico es la que ofrece las mejores prestaciones. No obstante, se esperaba que el abrigo de mayor tamaño permitiera que la acumulación de calor en el interior de la garita fuera menor, ya que el volumen de la masa de aire que cabe en su interior es mayor, y por tanto se creía que costaría más que se calentase. En cuanto al material, el más recomendable es la madera, aunque el PVC o el caucho pueden ser viables si están pintados de blanco, y si se proporciona más interés al coste o a la facilidad de construcción del abrigo meteorológico. Finalmente, el factor más decisivo en el diseño de cualquier garita es la pintura blanca, pues consigue reducir la temperatura interior respecto a la exterior de forma muy significativa.

English: The shield or screen of a weather station is intended to protect the temperature and humidity sensors from solar radiation and to prevent overheating of the shield. However, the type of material and geometry of the screen, and the presence or absence of coating, can lead to different values of certain magnitudes of interest in regard to those reported by the World Meteorological Organization (WMO), mainly during the hours of the day with most intense sunlight (for example, at noon). The aim of this study is to determine the best material and best design for the screen of a weather station among several selected proposals, for two different weather scenarios. The analysis is conducted by simulations using Computational Fluid Dynamics (CFD) and thermal analysis software. It will also determine whether or not to apply a coating of white paint. Specifically, we have considered four geometries. The first two meet the WMO recommendations respect to design, but while one has the normalized dimensions, the other has been made in a smaller size. The two remaining geometries are alternative innovative/original designs. These geometries have been simulated under different conditions with different materials (wood, PVC and hard rubber) and coatings (white paint or no paint) to determine the best design, in other words, in this case, the one that maintains the lowest internal temperature (that is, the closest to the external temperature). For the study of the different configurations, we have used the following software: Solid Edge, used to perform the CAD geometries, and SolidWorks, for the CFD simulations and thermal analysis. The results obtained indicate that the temperature inside the smaller screens is closer to the external. Among all the designs, the classic is the one that offers the best performance. However, it was expected that the larger shield would allow heating inside the shield to be lower because the contained volume of air is larger. In regard of the studied materials, the wood provides best performance, but the PVC or hard rubber may be more interesting if they are painted in white and it is more critical the cost or ease of construction of the meteorological station. Finally, the most decisive factor in the design of any screen is the white paint because it allows to reduce significantly the internal temperature respect to the external.