Desing construtal aplicado à convecção de calor em cavidades com obstáculos

• Ano de defesa: 2024
• Autor(a) principal: Borahel, Rafael da Silveira
• Orientador(a): Zinani, Flávia Schwarz Franceschini
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade do Vale do Rio dos Sinos
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
• Departamento: Escola Politécnica
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: Teoria construtal; Cavidade de tampa deslizante; Escoamento convectivo; Transferência de calor; Convecção mista
• Palavras-chave em Inglês: Constructal theory; Lid-driven cavity; Convective flow; Heat transfer; Mixed convection
• Área do conhecimento CNPq: ACCNPQ::Engenharias::Engenharia Mecânica
• Link de acesso: http://repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/13452

Pela ótica do design construtal, investigou-se neste trabalho o processo de convecção no interior de uma cavidade de tampa deslizante com um bloco isotérmico (BI) dentro, objetivando maximizar a taxa adimensional de transferência de calor (𝑞∗) nas paredes do bloco. Mantendo o BI verticalmente centralizado (𝑦0∗ = 0,5) na cavidade, os graus de liberdade (GL) admitidos ao sistema foram: a razão de aspecto da cavidade (𝐴), a razão de aspecto do BI (𝐴𝑅0) e a posição horizontal adimensional doBI no interior da cavidade (𝑥0∗). Além desses parâmetros, o tamanho do BI – simbolizado por  – também foi considerado um parâmetro de projeto chave do sistema. Nesse sentido, quatro diferentes tamanhos foram contemplados a ele ( = 1/4, 1/8, 1/16 e 1/32), possibilitando a análise de seus efeitos sobre o escoamento e a troca térmica convectiva. Pela variação desses parâmetros, um total de 280 diferentes designs foram originados e testados para o sistema, todos os quais individualmente analisados nos cenários de convecção forçada, mista e natural dominantes, resultando em 840 casos analisados. O escoamento no interior da cavidade foi considerado newtoniano, bidimensional, laminar, incompressível e permanente (não dependente do tempo). O modelo matemático foi composto pelas equações de conservação da massa, quantidade de movimento (nas direções 𝑥 e 𝑦) e energia. Todas as equações foram solucionadas computacionalmente, através de simulações numéricas executadas no ANSYS FLUENT 2023 R1, que faz uso do método dos volumes finitos (MFV). Dentre os 280 diferentes designs originados e testados para o sistema, o que mais se destacou na promoção de 𝑞∗ foi definido por 𝐴𝑅 = 0,35 (cavidade horizontal) e 𝐴𝑅0 = 1 (BI quadrado). Através desse design, admitindo ao BI o seu maior tamanho ( = 1/4), é que se alcançou o máximo valor de 𝑞∗ (31,19), que foi obtido com o BI sutilmente deslocado para a direita (𝑥0∗ = 0,6) no cenário de convecção forçada dominante. Em geral, esta configuração do sistema teve destaque na promoção de 𝑞∗ por apresentar uma tampa deslizante maior, que desloca uma quantidade mais significativa de fluido, incrementando assim a quantidade de movimento do escoamento. Somado a isso, o formato horizontal da cavidade faz com que sua fenda superior seja mais estreita, aproximando a parede superior do BI à tampa deslizante e, consequentemente, reduzindo a espessura da camada limite térmica que se desenvolve ali, o que beneficia a transferência de calor.