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Título: Investigação numérica da convecção natural e da radiação térmica em cavidade aberta preenchida com meio poroso heterogêneo
Autor(es): Nardi, Vanessa Glück
Orientador(es): Franco, Admilson Teixeira
Palavras-chave: Calor - Convecção natural
Radiação
Materiais porosos
Calor - Transmissão
Engenharia mecânica
Heat - Convection, Natural
Radiation
Porous materials
Heat - Transmission
Mechanical engineering
Data do documento: 20-Nov-2015
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Referência: NARDI, Vanessa Glück. Investigação numérica da convecção natural e da radiação térmica em cavidade aberta preenchida com meio poroso heterogêneo. 2015. 105 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2015.
Resumo: Na tentativa de aperfeiçoar as trocas de calor em sistemas térmicos, diversos estudos relacionados com a convecção natural em cavidades heterogêneas têm sido conduzidos na última década. Embora a radiação seja um fenômeno de transferência de calor tão relevante quanto a convecção natural, raros são os estudos encontrados na literatura que levam em consideração seus efeitos em meios heterogêneos. Neste trabalho é realizado o estudo numérico da transferência de calor combinada da radiação térmica e da convecção natural em cavidade aberta preenchida por meio heterogêneo. A cavidade é quadrada com uma parede aquecida e a outra aberta para um reservatório térmico e o meio heterogêneo é representado por blocos quadrados condutores de calor distribuídos uniformemente no interior da cavidade. As propriedades do fluido são assumidas constantes exceto no termo de empuxo no qual é adotada a aproximação de Oberbeck-Boussinesq. As superfícies da cavidade e dos blocos são consideradas cinzas, opacas e difusas. O método dos volumes finitos é empregado com o algoritmo SIMPLEC e os efeitos da radiação superficial são agregados à solução pelo modelo Surface-to-Surface (S2S). São investigados os efeitos do número de Rayleigh, do número de blocos e da condutividade térmica sólido-fluido, considerando emissividade e porosidade constantes. Os valores de Nusselt médio radiativo e convectivo, bem como a vazão volumétrica adimensional que entra na cavidade são computados analisados e os fenômenos de interferência de camada limite, queda convectiva e queda radiativa são apresentados. Para auxiliar na interpretação dos resultados, linhas de corrente e isotermas são apresentadas. Os resultados mostram que a consideração da radiação térmica aumenta consideravelmente o Nusselt médio total e que a parcela convectiva do Nusselt médio diminui em relação ao Nusselt convectivo para o caso de convecção natural pura. Resultados mostram ainda que, apesar da atenuação do Nusselt convectivo, a radiação térmica eleva consideravelmente o valor observado para a vazão volumétrica adimensional induzida para dentro da cavidade. Além disso, foi constatado que a previsão analítica para interferência da camada limite continua válida quando as trocas de calor por radiação térmica estão ativas.
Abstract: In an attempt to improve the heat exchange in thermal systems, several studies have been conducted on natural convection in heterogeneous porous media. The majority of them have in common the hypothesis of negligible heat transfer by radiation. Recent investigations have shown that surface radiation plays an important role on the overall heat transfer in cavities subject to natural convection. In this study, numerical methods are used to solve natural convection and surface radiation in an open cavity containing several disconnected and conducting solid blocks. The cavity is square with a vertical wall isothermally heated while in the other end it is opened to a fluid reservoir. The horizontal walls are kept adiabatic. The blocks are squared, equally spaced, disconnected, and heat conducting. The fluid properties are assumed constant except for the buoyancy term in which is used the OberbeckBoussinesq approximation. The cavity and block surfaces are grey, opaque and diffuse, with surface emissivity set as unity. The finite volume method is employed with the SIMPLEC algorithm and the effects of surface radiation are added to the solution by the model Surface-to-Surface (S2S). The effects of Rayleigh number, the number of blocks and solid-liquid thermal conductivity are investigated considering the emissivity and the porosity as constants. The average convective and radiative average Nusselt numbers are evaluated, as well as the dimensionless volumetric flow induced into the cavity and the convective and radiative drop phenomena are discussed. To assist in the interpretation of results, streamlines and isotherms are presented. From the results were observed that by considering the thermal radiation heat transfer, the total average Nusselt number increases and in some cases comes to double the values observed for pure natural convection. However, it was observed that the convective Nusselt number decreases. The attenuation of convection heat transfer due the consideration of thermal radiation is called convective drop and shows the duality of natural convection and thermal radiation. The results also show that, despite of the natural convection heat transfer attenuation, the dimensionless volumetric flow induced into the cavity increases.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/10168
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