Transferência térmica conjugada utilizando fronteira imersa para solução de problemas bidimensionais

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Santos, Gabriel Machado dos
Data de Publicação: 2022
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: por
Título da fonte: Repositório Institucional da UFU
Texto Completo: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36011
http://doi.org/10.14393/ufu.di.2022.466
Resumo: Problems of thermo-fluid-structural interaction, or conjugate heat transfer, correspond to the class of physical phenomena in which heats effects alter the dynamics of fluid-structural coupling. These problems are characterized by a continuous exchange of thermal energy between the solid structure and the flow, so that conventional thermal boundary conditions are not applicable to the fluid-solid interface, requiring the use of heat couplings. Extensive are the natural or industrial phenomena involving conjugated heat interactions between flow and structure, and depending on the purpose of the intended application, their effects can be potentiated or minimized. Technological advances in the field of engineering require the manufacture of equipment and machines with increasingly better cooling and/or insulation capabilities. Thus, the structural and fluid dynamic design of these equipments must be designed aiming at the thermal interaction between flow and structure. Thus, the search and interest in tools that enable the analysis and study of these problems is growing, where virtual experimentation based on numerical-computational methodology has been highlighted. Therefore, the present work aims at the physical, mathematical and computational modeling of conjugated heat transfer problems, in addition to the development of a computational code in Fortran 90 programming language, which is intended to deal with two-dimensional problems with the presence of a conductive solid body, making it necessary to apply the immersed boundary methodology. In the implementations carried out, the equations that model the dynamics, transport and energy transformation in the fluid subdomain are discretized and solved in a two-dimensional, eulerian, cartesian and fixed domain, through the finite difference method, where the fractional step method is used for pressure-velocity coupling. The equation that models the thermal energy balance in the solid subdomain is discretized and solved in a lagrangian domain, formed by triangular elements, using the finite element method. The immersed boundary methodology is applied in order to approach both subdomains in distinct and independent ways. The solutions obtained for each subdomain, individually, are coupled according to the strong partitioned coupling methodology. Verification tests are performed in order to verify the implementations performed. Simulations are carried out in order to validate the numerical-computational model developed, where the results obtained are in accordance with those presented in the literature.
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These problems are characterized by a continuous exchange of thermal energy between the solid structure and the flow, so that conventional thermal boundary conditions are not applicable to the fluid-solid interface, requiring the use of heat couplings. Extensive are the natural or industrial phenomena involving conjugated heat interactions between flow and structure, and depending on the purpose of the intended application, their effects can be potentiated or minimized. Technological advances in the field of engineering require the manufacture of equipment and machines with increasingly better cooling and/or insulation capabilities. Thus, the structural and fluid dynamic design of these equipments must be designed aiming at the thermal interaction between flow and structure. Thus, the search and interest in tools that enable the analysis and study of these problems is growing, where virtual experimentation based on numerical-computational methodology has been highlighted. Therefore, the present work aims at the physical, mathematical and computational modeling of conjugated heat transfer problems, in addition to the development of a computational code in Fortran 90 programming language, which is intended to deal with two-dimensional problems with the presence of a conductive solid body, making it necessary to apply the immersed boundary methodology. In the implementations carried out, the equations that model the dynamics, transport and energy transformation in the fluid subdomain are discretized and solved in a two-dimensional, eulerian, cartesian and fixed domain, through the finite difference method, where the fractional step method is used for pressure-velocity coupling. The equation that models the thermal energy balance in the solid subdomain is discretized and solved in a lagrangian domain, formed by triangular elements, using the finite element method. The immersed boundary methodology is applied in order to approach both subdomains in distinct and independent ways. The solutions obtained for each subdomain, individually, are coupled according to the strong partitioned coupling methodology. Verification tests are performed in order to verify the implementations performed. Simulations are carried out in order to validate the numerical-computational model developed, where the results obtained are in accordance with those presented in the literature.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoDissertação (Mestrado)Problemas de interação termo-fluido-estrutural, ou de transferência térmica conjugada, correspondem a classe de fenômenos físicos em que efeitos térmicos alteram a dinâmica do acoplamento fluido-estrutural. Estes problemas são caracterizados por apresentarem uma contínua troca de energia térmica entre a estrutura sólida e o escoamento, de modo que, condições de contorno térmicas convencionais não são aplicáveis à interface fluido-sólido, exigindo a utilização de acoplamentos térmicos. Extensos são os fenômenos naturais ou industriais envolvendo interações térmicas conjugadas entre escoamento e estrutura, e dependendo da finalidade da aplicação pretendida, os seus efeitos podem ser potencializados ou minimizados. Progressos tecnológicos no campo da engenharia, requerem a confecção de equipamentos e máquinas com capacidades de arrefecimento e/ou isolamento cada vez melhores. Assim, o projeto tanto estrutural quando fluidodinâmico desses equipamentos devem ser pensados visando a interação térmica entre escoamento e estrutura. Dessa forma, crescente é a busca e interesse em ferramentas que viabilizem a análise e estudo desses problemas, onde a experimentação virtual baseada na metodologia numérico-computacional vêm se destacando. Sendo assim, o presente trabalho objetiva a modelagem física, a matemática e a computacional de problemas de transferência térmica conjugada, além do desenvolvimento de um código computacional em linguagem de programação Fortran 90, sendo este destinado a tratar de problemas bidimensionais com a presença de um corpo sólido condutivo, fazendo-se necessária a aplicação da metodologia da fronteira imersa. Nas implementações realizadas, as equações que modelam a dinâmica, o transporte e a transformação de energia no subdomínio fluido são discretizadas e resolvidas em um domínio bidimensional, euleriano, cartesiano e fixo, através do método das diferenças finitas, onde é empregado o método do passo fracionado para o acoplamento pressão-velocidade. A equação que modela o balanço de energia térmica no subdomínio sólido é discretizada e resolvida em um domínio lagrangiano, formado por elementos triangulares, por meio do método dos elementos finitos. A metodologia da fronteira imersa é aplicada, a fim de se abordar ambos os subdomínios de formas distintas e independentes. As soluções obtidas para cada subdomínio, de forma individual, são acopladas de acordo com a metodologia do acoplamento particionado de natureza forte. Testes de verificação são realizados, com o intuito de se verificar as implementações realizadas. Simulações são conduzidas a fim de validar o modelo numérico-computacional desenvolvido, onde os resultados obtidos estão em conformidade com os apresentados na literatura.Universidade Federal de UberlândiaBrasilPrograma de Pós-graduação em Engenharia MecânicaSilveira Neto, Aristeu dahttp://lattes.cnpq.br/4650888739121183Vedovotto, João Marcelohttp://lattes.cnpq.br/5630598971511798Magalhães, Elisan dos Santoshttp://lattes.cnpq.br/8612378511643289Santos, Gabriel Machado dos2022-09-06T16:30:30Z2022-09-06T16:30:30Z2022-08-30info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSANTOS, Gabriel Machado dos. Transferência térmica conjugada utilizando fronteira imersa para solução de problemas bidimensionais. 2022. 130 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2022. DOI http://doi.org/10.14393/ufu.di.2022.466.https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/36011http://doi.org/10.14393/ufu.di.2022.466porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/us/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFUinstname:Universidade Federal de Uberlândia (UFU)instacron:UFU2022-09-07T06:20:33Zoai:repositorio.ufu.br:123456789/36011Repositório InstitucionalONGhttp://repositorio.ufu.br/oai/requestdiinf@dirbi.ufu.bropendoar:2022-09-07T06:20:33Repositório Institucional da UFU - Universidade Federal de Uberlândia (UFU)false
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Santos, Gabriel Machado dos
Dinâmica dos Fluidos Computacional
Computational Fluid Dynamics
Transferência Térmica Conjugada
Conjugated Heat Transfer
Método das Diferenças Finitas
Finite Difference Method
Método dos Elementos Finitos
Finite Element Method
Escoamentos Não-Isotérmicos sobre Geometrias Complexas
Non-Isothermal Flows over Complex Geometries
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Engenharia mecânica
Fluidodinâmica computacional
Meios de transferência de calor
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description Problems of thermo-fluid-structural interaction, or conjugate heat transfer, correspond to the class of physical phenomena in which heats effects alter the dynamics of fluid-structural coupling. These problems are characterized by a continuous exchange of thermal energy between the solid structure and the flow, so that conventional thermal boundary conditions are not applicable to the fluid-solid interface, requiring the use of heat couplings. Extensive are the natural or industrial phenomena involving conjugated heat interactions between flow and structure, and depending on the purpose of the intended application, their effects can be potentiated or minimized. Technological advances in the field of engineering require the manufacture of equipment and machines with increasingly better cooling and/or insulation capabilities. Thus, the structural and fluid dynamic design of these equipments must be designed aiming at the thermal interaction between flow and structure. Thus, the search and interest in tools that enable the analysis and study of these problems is growing, where virtual experimentation based on numerical-computational methodology has been highlighted. Therefore, the present work aims at the physical, mathematical and computational modeling of conjugated heat transfer problems, in addition to the development of a computational code in Fortran 90 programming language, which is intended to deal with two-dimensional problems with the presence of a conductive solid body, making it necessary to apply the immersed boundary methodology. In the implementations carried out, the equations that model the dynamics, transport and energy transformation in the fluid subdomain are discretized and solved in a two-dimensional, eulerian, cartesian and fixed domain, through the finite difference method, where the fractional step method is used for pressure-velocity coupling. The equation that models the thermal energy balance in the solid subdomain is discretized and solved in a lagrangian domain, formed by triangular elements, using the finite element method. The immersed boundary methodology is applied in order to approach both subdomains in distinct and independent ways. The solutions obtained for each subdomain, individually, are coupled according to the strong partitioned coupling methodology. Verification tests are performed in order to verify the implementations performed. Simulations are carried out in order to validate the numerical-computational model developed, where the results obtained are in accordance with those presented in the literature.
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