Acoplamento 3-D da transferência de calor em dutos retangulares com o efeito da dissipação viscosa e análise da geração de entropia.

• Autor(a) principal: Robson Leal da Silva
• Data de Publicação: 2007
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: por
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações do ITA
• Texto Completo: http://www.bd.bibl.ita.br/tde_busca/arquivo.php?codArquivo=466
• topic: Transferência de calor; Análise numérica; Acoplamento termodinâmico; Dutos; Escoamento viscoso; Entropia; Física

O desenvolvimento desta tese teve como propósito implementar uma ferramenta numérica para simulação, estudos e análise do acoplamento térmico em sistemas trocadores de calor. Avaliação dos parâmetros é aplicável para processos de aquecimento, arrefecimento ou resfriamento de fluidos em dutos de equipamentos termofluido-mecânicos. Nas superfícies destes dutos ocorre o acoplamento da condução com a radiação, convecção externa e interna. A condução estudada é 2-D, na direção axial e na seção transversal do duto com paredes consideradas de espessura fina. O modelo da convecção interna utiliza formulações e métodos de solução para a condição de temperaturas não-impostas no perímetro da seção transversal de dutos retangulares com escoamento laminar e desenvolvido. Os coeficientes locais de convecção interna são obtidos pelo cálculo de derivadas, após obtenção do campo de temperatura 3-D do fluido. A convecção externa é modelada utilizando correlações estabelecidas na literatura para obter o número de Nusselt e o coeficiente de convecção externa. O estudo da radiação consiste basicamente na obtenção das equações integrais de radiosidade na banda de interesse do espectro eletromagnético. Portanto, o modelo contempla o acoplamento 3-D de modos múltiplos da transferência de calor em dutos retangulares com escoamento laminar e viscoso. A camada limite hidrodinâmica e térmica são completamente desenvolvidas. Um modelo físico-matemático e computacional é elaborado para representar o dispositivo proposto e analisar a interação entre os modos da transferência de calor. Nas paredes do duto são realizados os balanços de energia, surgindo as relações de dependência destes modos entre si. O acoplamento das equações diferenciais da condução, radiação, convecção interna e externa ocorre nestes balanços térmicos, em cada uma das paredes, gerando um sistema de equações não-lineares. Além das equações para o balanço de energia, as equações de conservação da massa, quantidade de movimento e energia governando o escoamento são discretizadas pelo método de diferenças finitas e, obtém-se a partir destas, resultados numéricos que correspondem aos campos de velocidade e temperatura. A representação do domínio computacional é feita por malhas estruturadas. A solução é obtida para a condição de regime permanente. O efeito da dissipação viscosa na equação da energia é contabilizado, onde se confirma sua importância quando comparando soluções para Nu=f (Z*) com e sem termos viscosos na referida equação. Convergência e estabilidade da solução são demonstradas utilizando a malha com número adequado de nós (pontos) e queda dos resíduos numéricos em pelo menos cinco ordens de grandeza. Para o escoamento interno (ar, água ou óleo) e material das paredes em aço inox, aço-carbono, alumínio ou cobre, são avaliados na direção axial do duto, dentre outros, o coeficiente de convecção (h), o número de Nusselt (Nu) e os gradientes de temperatura (média global e média das paredes), além do campo 3-D de temperatura e da geração de entropia. A metodologia proposta é validada com base na termodinâmica e princípios de conservação da energia no acoplamento entre os vários modos da transferência de calor nas paredes do duto. Esta validação é amparada também por meio da comparação dos resultados com a literatura, bem como apresentando analises baseadas no significado físico dos parâmetros obtidos.