Estudo numérico da termoconvenção magnética em uma cavidade

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Castro, Luís Henrique Fraga
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Não Informado pela instituição
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Ferrofluidos
Escoamento (Engenharia)
Simulação (Computadores)
Calor
Link de acesso: http://repositorio.unb.br/handle/10482/48627
Resumo: Dissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2023.
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spelling Estudo numérico da termoconvenção magnética em uma cavidadeFerrofluidosEscoamento (Engenharia)Simulação (Computadores)CalorDissertação (mestrado) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2023.Este trabalho apresenta um estudo do escoamento de um ferrofluido termossensível em uma cavidade bidimensional aquecida por baixo, resfriada por cima e isolada nas laterais. A influência do campo magnético externo sobre os padrões do escoamento e da transferência de calor, bem como o efeito da introdução de um obstáculo retangular na cavidade, são analisados. O escoamento é considerado incompressível, laminar, com ferrofluido newtoniano superparamagnético e de susceptibilidade dependente da temperatura. O campo magnético externo é gerado por um fio condutor de eletricidade adjacente à cavidade. O problema é resolvido numericamente por meio da solução das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia usando uma discretização de diferenças finitas em malha regular desenvolvida pelo método de malha defasada. O acoplamento pressão-velocidade é resolvido por meio do método de projeção de 2a ordem, junto ao método de Crank-Nicolson para o avanço no tempo. A compilação das equações no programa computacional Python é feita por meio do método do gradiente conjugado junto ao método SOR. Os resultados apresentam que o fio condutor de eletricidade fixo em uma posição adjacente à metade da altura da parede lateral direita isolada gera um campo magnético capaz modificar a topologia do escoamento de ferrofluido e promover o aumento do número de Nusselt médio do sistema. Além disso, a mudança da posição do fio em relação à cavidade também trouxe mudanças significativas na topologia do escoamento e produziu variações abruptas do número de Nusselt médio, de modo a aprimorar ou dificultar a eficiência do mecanismo de transferência de calor do sistema. Um estudo dos efeitos da presença de um obstáculo retangular no interior da cavidade foi conduzido. Considerou-se o caso no qual o obstáculo é isolado termicamente e o caso em que a temperatura dele é mantida constante. Os resultados revelam que a presença do obstáculo retangular gera um modelo de cavidade composta e ocasiona uma influência direta e considerável na topologia do escoamento de ferrofluido, no campo de velocidade do escoamento e nos valores do número de Nusselt médio. Além disso, o obstáculo em sua configuração térmica aquecida é capaz de induzir a formação de estruturas no escoamento similares às células de Bénard que quando sob o efeito do campo magnético, tendem a desaparecer. Com isso, um estudo a respeito das células de Bénard foi realizado e esse confirmou o comportamento de desaparecimento das células Bénard quando o escoamento interage com os efeitos magnéticos gerados pela fonte magnética, além de intensificar significativamente a velocidade do fluxo do ferrofluido e a eficiência do mecanismo de transferência de calor.This work presents a study on thermo-sensitive ferrofluid flow inside a two-dimensional cavity with a heated below wall, a cooled top wall and insulated vertical walls. The influence of the external magnetic field on the ferrofluid flow and in your heat transfer patterns, as well as the effect of introducing a rectangular obstacle inside the cavity, are analyzed. The ferrofluid flow is assumed incompressible, laminar, superparamagnetic and with susceptibility as a function of the temperature. The external magnetic field is generated by an electrical conducting wire near the cavity. The problem is numerically solved by solving the mass, momentum and energy conservation equations using a regular mesh finite difference discretization developed by the staggered grid method. The pressure-velocity coupling is solved using the 2a order projection method, together with the Crank-Nicolson method for advancing in time. The compiling equations in the Python computer program is done using the conjugate gradient method together with the SOR method. The results show that the electrical conducting wire fixed in a position near to half the height of the isolated right side wall generates a magnetic field capable of modifying the topology of the ferrofluid flow and promoting an increase in the average Nusselt number of the system. Furthermore, the relative position of the electrical conducting wire in relation to the cavity also brought about significant changes in the topology of the ferrofluid flow and produced abrupt variations in the average Nusselt number, in order to improve or hinder the efficiency of the heat transfer mechanism of the system. A study about the effects of the presence of a rectangular obstacle inside the cavity was conducted, whereas there are two cases: the first one when the obstacle is thermally insulated and the next one when its temperature is kept constant. The results reveal that the presence of the rectangular obstacle generates a composite cavity model and causes a direct and considerable influence on the topology of the ferrofluid flow, on the flow velocity field and on the average Nusselt numbers values. Besides, the obstacle in its heated thermal configuration is capable of inducing the formation of structures in the flow similar to Bénard cells which, when under the effect of the magnetic field, tend to disappear. Therefore, a study about the Bénard cells was carried out and this confirmed the disappearance behavior of the Bénard cells when the flow interacts with the magnetic effects generated by the magnetic source, in addition to significantly intensifying the velocity of the ferrofluid flow and the efficiency of the heat transfer mechanism.Faculdade de Tecnologia (FT)Departamento de Engenharia Mecânica (FT ENM)Programa de Pós-Graduação em Ciências MecânicasOliveira, Taygoara Felamingo deRosa, Adriano PossebonCastro, Luís Henrique Fraga2024-07-09T11:45:20Z2024-07-09T11:45:20Z2024-07-092023-05-03info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfCASTRO, Luís Henrique Fraga. Estudo numérico da termoconvenção magnética em uma cavidade. 2023. 106 f., il. Dissertação (Mestrado em Ciências Mecânicas) — Universidade de Brasília, Brasília, 2023.http://repositorio.unb.br/handle/10482/48627porA concessão da licença deste item refere-se ao termo de autorização impresso assinado pelo autor com as seguintes condições: Na qualidade de titular dos direitos de autor da publicação, autorizo a Universidade de Brasília e o IBICT a disponibilizar por meio dos sites www.bce.unb.br, www.ibict.br, http://hercules.vtls.com/cgi-bin/ndltd/chameleon?lng=pt&skin=ndltd sem ressarcimento dos direitos autorais, de acordo com a Lei nº 9610/98, o texto integral da obra disponibilizada, conforme permissões assinaladas, para fins de leitura, impressão e/ou download, a título de divulgação da produção científica brasileira, a partir desta data.info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UnBinstname:Universidade de Brasília (UnB)instacron:UNB2025-02-27T18:04:45Zoai:repositorio.unb.br:10482/48627Repositório InstitucionalPUBhttps://repositorio.unb.br/oai/requestrepositorio@unb.bropendoar:2025-02-27T18:04:45Repositório Institucional da UnB - Universidade de Brasília (UnB)false
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