Avaliação de Modelos de Turbulência em Cavidades Térmicas
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Trabalho de conclusão de curso |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFRJ |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/11422/16623 |
Resumo: | A convecção natural em cavidades térmicas fechadas vem ganhando destaque por ser comumente encontrada em projetos de painéis solares, chips de equipamentos eletrônicos e conforto térmico. Esse mecanismo é modelado através de um conjunto de equações diferenciais parciais que, sem simplificações, não possuem solução analítica direta. Por conta da não linearidade dessas equações, ferramentas computacionais tais como CFD (Computational Fluid Dynamic) podem então ser utilizadas para fornecer soluções numéricas que permitam quantificar grandezas importantes para problemas de engenharia, como taxas e fluxos. Nesse trabalho foi investigado através da Fluidodinâmica Computacional o fenômeno da convecção natural dentro de uma cavidade térmica fechada para = 107 , com duas faces adjacentes mantidas a uma temperatura maior que as duas faces adjacentes opostas e, as faces laterais adiabáticas. O programa de código aberto OpenFOAM foi utilizado e dois solvers foram inicialmente testados: o buoyantBoussinesqPimpleFoam e buoyantPimpleFoam. O primeiro mostrou-se mais adequado e diferentes modelos de turbulência foram então avaliados: o modelo de uma equação Spalart-Allmaras, os modelos LRN de viscosidade turbulenta linear SST − , − de Launder e Sharma e 2, o modelo LRN de viscosidade turbulenta não linear (cúbico) de Lien et al (1996) e os modelos dos Tensores de Reynolds LRR e SSG. Os resultados foram comparados com dados de DNS. O modelo 2 foi o que apresentou vii perfis de temperatura mais próximos ao de DNS, seguido dos modelos Launder e Sharma, Lien cúbico, LRR e SSG. Perfis de velocidade também foram discutidos e mostrou-se que há um fraco acoplamento entre as equações do movimento e energia, tal que o empuxo é predominantemente responsável pela movimentação do fluido. De modo geral, as simulações CFD subestimaram o coeficiente de transferência de calor em torno de 12%, o que pode ser considerado razoável dado o menor custo computacional e demais simplificações envolvidas. |
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Esse mecanismo é modelado através de um conjunto de equações diferenciais parciais que, sem simplificações, não possuem solução analítica direta. Por conta da não linearidade dessas equações, ferramentas computacionais tais como CFD (Computational Fluid Dynamic) podem então ser utilizadas para fornecer soluções numéricas que permitam quantificar grandezas importantes para problemas de engenharia, como taxas e fluxos. Nesse trabalho foi investigado através da Fluidodinâmica Computacional o fenômeno da convecção natural dentro de uma cavidade térmica fechada para = 107 , com duas faces adjacentes mantidas a uma temperatura maior que as duas faces adjacentes opostas e, as faces laterais adiabáticas. O programa de código aberto OpenFOAM foi utilizado e dois solvers foram inicialmente testados: o buoyantBoussinesqPimpleFoam e buoyantPimpleFoam. O primeiro mostrou-se mais adequado e diferentes modelos de turbulência foram então avaliados: o modelo de uma equação Spalart-Allmaras, os modelos LRN de viscosidade turbulenta linear SST − , − de Launder e Sharma e 2, o modelo LRN de viscosidade turbulenta não linear (cúbico) de Lien et al (1996) e os modelos dos Tensores de Reynolds LRR e SSG. Os resultados foram comparados com dados de DNS. O modelo 2 foi o que apresentou vii perfis de temperatura mais próximos ao de DNS, seguido dos modelos Launder e Sharma, Lien cúbico, LRR e SSG. Perfis de velocidade também foram discutidos e mostrou-se que há um fraco acoplamento entre as equações do movimento e energia, tal que o empuxo é predominantemente responsável pela movimentação do fluido. De modo geral, as simulações CFD subestimaram o coeficiente de transferência de calor em torno de 12%, o que pode ser considerado razoável dado o menor custo computacional e demais simplificações envolvidas.porUniversidade Federal do Rio de JaneiroUFRJBrasilEscola de QuímicaCNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA QUIMICAModelos de turbulênciaCavidades térmicasAvaliação de Modelos de Turbulência em Cavidades Térmicasinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/bachelorThesisabertoBARAKOS, G., MITSOULIS, E., ASSIMACOPOULOS, D. "Natural convection flow in a square cavity revisited: Laminar and turbulent models with wall functions", International Journal for Numerical Methods in Fluids, v. 18, n. 7, p. 695–719, 1994. DOI: https://doi.org/10.1002/fld.1650180705. Disponível em: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/fld.1650180705. BEN-NAKHI, A., MAHMOUD, M. A. "Conjugate turbulent natural convection in the roof enclosure of a heavy construction building during winter", Applied Thermal Engineering, v. 28, n. 11, p. 1522–1535, 2008. DOI: https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2007.08.011. Disponível em: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359431107002906. CENGEL, YUNUS A., and J. M. C. Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications. 4th. ed. Columbus, OH, [s.n.], 2017. CHIEN, K.-Y. "Predictions of Channel and Boundary-Layer Flows with a Low-ReynoldsNumber Turbulence Model", AIAA Journal, v. 20, n. 1, p. 33–38, jan. 1982. DOI: 10.2514/3.51043. Disponível em: https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/3.51043. DOL, H. S., HANJALIĆ, K. "Computational study of turbulent natural convection in a sideheated near-cubic enclosure at a high Rayleigh number", International Journal of Heat and Mass Transfer, v. 44, n. 12, p. 2323–2344, 2001. DOI: https://doi.org/10.1016/S0017-9310(00)00271-4. 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