ESCOAMENTO COM CONVECÇÃO MISTA EM UM CANAL COM FONTES DE CALOR: VALIDAÇÃO DE CÓDIGO COMPUTACIONAL

ESCOAMENTO COM CONVECÇÃO MISTA EM UM CANAL COM FONTES DE CALOR: VERIFICAÇÃO DE CÓDIGO COMPUTACIONAL

Maicon Vinicius Altnetter(1), Bárbara Denicol do Amaral Rodriguez(2), Elizaldo Domingues dos Santos(2) 

(1) Estudante do curso de Pós – Graduação em Modelagem Computacional e Bolsista de Demanda Social - CAPES; Universidade Federal do Rio Grande; Rio Grande, RS; [e-mail]

(2) Orientadores; Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional, Universidade Federal do Rio Grande; RS

RESUMO: O presente trabalho apresenta um estudo de verificação de um código computacional baseado no método de volumes finitos (FLUENT®) para a solução de um escoamento interno com convecção mista. Foram realizadas simulações de escoamentos incompressíveis, laminares com convecção mista em um canal com duas fontes de calor fixadas na superfície inferior. Foi considerado que o ar entra frio no canal com perfis uniformes de velocidade e temperatura. Para o problema serão solucionadas as equações da conservação de massa, da quantidade de movimento e da energia utilizando o Método Numérico de Volumes Finitos. Foi obtido o comportamento do número de Nusselt para vários escoamentos com diferentes números de Reynolds (1,0 ≤ Re ≤ 100,0) e os resultados foram condizentes com os apresentados previamente na literatura. Dessa forma é possível aplicar a presente metodologia numérica em futuros estudos de otimização geométrica em escoamentos transientes em canais com convecção mista.

Palavras-Chave: Convecção mista, Escoamento, Volumes Finitos.

INTRODUÇÃO

Estudos a respeito de escoamentos em cavidades e canais com convecção mista são relevantes e vem a despertar muito interesse e estudos no âmbito científico, visto a existência de inúmeras aplicações na engenharia. Como por exemplo, o resfriamento de componentes eletrônicos, trocadores de calor (resfriadores condensadores, evaporadores e geradores de vapor) entre outras aplicações.

Um exemplo de estudo é apresentado em Papanicolau e Jaluria (1990,1991), que investigaram a convecção mista conjugada numa cavidade retangular com uma fonte discreta ou múltiplas fontes fixadas na parede. Outro estudo importante é apresentado em Amaral Júnior (2007), neste estudo foi definido um modelo numérico para a simulação de escoamentos laminares ou turbulentos com convecção mista em canais com duas fontes de calor em sua superfície inferior.

Nesse sentido, realizou-se um estudo de validação do código computacional baseado no método de volumes finitos (MVF), mais precisamente com o software comercial FLUENT®. O objetivo é verificar se o método é capaz de reproduzir os campos de temperatura e a taxa de transferência de calor para escoamentos com vários números de Reynolds, mantendo-se fixos os números de Grashoff e Prandtl (Gr = 103 e Pr = 0.71). Com a verificação realizada, futuros estudos de otimização em canais aletados ou com fontes poderão ser realizados.

Para esse estudo serão solucionadas as equações que descrevem o escoamento de um fluido com transferência de calor, onde essas equações são: equação da conservação de massa, da quantidade de movimento e da energia. O Método Numérico de Volumes Finitos foi empregado para resolver as equações (Patankar, 1980; Maliska, 2004). Este método consiste na divisão do domínio de cálculo em uma malha com um número finito de volumes finitos de controle, transformando o conjunto de equações diferenciais em um sistema algébrico de equações.

METODOLOGIA

A Figura 1 ilustra o domínio do escoamento a ser estudado. Na entrada do canal foi imposto um perfil constante de velocidades e temperatura e a troca térmica ocorre devido a temperatura das fontes serem mais elevadas que a do escoamento circundante. Com relação as condições iniciais, foi considerado que o escoamento está em repouso (U=V=T=0).

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Figura 1- Domínio computacional de escoamento com duas fontes de calor

        Primeiramente, foi realizado um estudo de independência de malha, onde a malha independente foi obtida com 7200 volumes finitos retangulares. Valor encontrado estipulando por um erro da ordem de e -2 visando encontrar resultados satisfatórios sem um custo computacional muito elevado. Após a aplicação do teste de independência de malha foram simulados escoamentos com número de Grashoff de Gr = 10³ e Pr = 0,7 para diferentes números de Re = 1, 10, 50 e 100. Também foi realizada uma comparação entre as soluções permanente e transiente (levando o escoamento até o regime permanente) e os resultados para os números de Nusselt (Nu) foram concordantes dentro dos parâmetros encontrados na literatura.