Fluid-solid thermal coupling in pipe and channel turbulent flows via a dual immersed boundary method

• Autor(a) principal: Narváez Campo, Gabriel Fernando
• Data de Publicação: 2019
• Tipo de documento: Tese
• Idioma: eng
• Título da fonte: Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFRGS
• Texto Completo: http://hdl.handle.net/10183/197867
• topic: Escoamento turbulento; Interação fluido-estrutura; Transferência de calor; Escoamento laminar; Escoamento turbulento; Simulação numérica; Dinâmica dos fluidos computacional; Método de fronteira imersa; Fluid-solid thermal interaction; High-order numerical simulation; Turbulent flow; Immersed Boundary Method

Este trabalho aborda numericamente o problema da Interação Térmica Fluido-Sólido. Uma representação precisa da transferência de calor é essencial no projeto de sistemas de aquecimento ou arrefecimento/resfriamento. Porém, para aplicações industriais, o entendimento da transferência de calor turbulenta se mantem limitado, especialmente na vizinhança da interface fluido-sólido. Esta pesquisa visa desenvolver uma ferramenta numérica original, simples de implementar e geometricamente flexível no intuito de aportar no entendimento da transferência de calor turbulenta e problemas envolvendo transporte escalar, via Simulação Numérica Direta ou Simulação Numérica Implícita de Grandes Escalas. As equações governantes são resolvidas numericamente aplicando o código Incompact3d, que se baseia no método de diferenças finitas compactas de sexta-ordem, para diferenciação espacial, e um esquema de Adams-Bashforth de terceira-ordem em conjunto com o método do passo fracionado. A geometria do sólido representada por meio de um Método de Fronteiras Imersas baseado na forçagem direta de quantidade de movimento, aplicada ao escoamento turbulento periódico em canal plano fechado e conduto circular. O escoamento em canal plano é avaliado para três condições de contorno térmicas: fluxo de calor imposto (tipo Neumann), temperatura imposta (tipo Dirichlet) e interação térmica fluido-sólido (tipo Dirichlet e Neumann) na parede/interface. O escoamento no conduto circular é avaliado para condição de temperatura imposta na parede. A análise de convergência, para escoamento laminar, mostra até sexta-ordem de precisão para canal plano submetido a temperatura constante e até segunda-ordem para as outras condições térmicas na parede e para escoamento em conduto circular. Nos casos turbulentos, as estatísticas básicas da velocidade e da temperatura tiveram um excelente ajuste a dados de referência, e o fenómeno de transferência de calor foi representado consistentemente, ainda para resoluções menores do que a espessura da camada limite viscosa.