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Título: Estudo da convecção em cavidade quadrada com o topo deslizante preenchida com bloco sólido condutor de calor
Autor(es): Poletto, Vinícius Gustavo
Orientador(es): Junqueira, Silvio Luiz de Mello
Palavras-chave: Análise numérica
Dinâmica dos fluidos
Materiais porosos - Análise
Numerical analysis
Fluid dynamics
Porous materials - Analysis
Data do documento: 11-Fev-2015
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Referência: POLETTO, Vinícius Gustavo. Estudo da convecção em cavidade quadrada com o topo deslizante preenchida com bloco sólido condutor de calor. 2015. 117 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2015.
Resumo: A convecção forçada e a natural são numericamente simuladas em uma cavidade porosa, quadrada e com o topo deslizante. O meio poroso é modelado através da abordagem heterogênea, sendo o constituinte sólido idealizado como um bloco quadrado, centralizado e condutor de calor. O fluido encontra-se entre as superfícies do bloco e as paredes da cavidade. Um gradiente térmico vertical é imposto mantendo o fundo da cavidade a uma temperatura menor do que a da superfície superior, a qual também apresenta movimento translacional com velocidade constante. Nesse trabalho, objetiva-se averiguar a influência da variação dos parâmetros do escoamento (número de Grashof e de Reynolds) e dos parâmetros da cavidade (tamanho do bloco e razão de condutividade térmica) sobre a transferência de calor e a circulação de fluido. Para tanto, as equações de conservação são aplicadas separadamente em cada constituinte do meio poroso (bloco sólido e fluido) e são solucionadas através do método dos volumes finitos utilizando o acoplamento pressão-velocidade SIMPLE e o método de interpolação QUICK. A faixa de parâmetros de escoamento simulada é arbitrada visando garantir a ocorrência de escoamento laminar, 100≤Re≤1000 e 103≤Gr≤107. Os parâmetros da cavidade estudados constituem quatro dimensões de bloco, B= (0; 0,3; 0,6; 0,9) e valores para a razão de condutividade térmica sólido-fluido contidos no intervalo 0,1≤K≤10. A convecção forçada e a natural coexistem em um aspecto competitivo. Por um lado, o aumento do Re, ou a redução do Gr, implica a intensificação da circulação de fluido e, consequentemente, o favorecimento da transferência de calor por convecção. Por outro lado, a redução do Re, ou o aumento do Gr, tende a estagnar o fluido no hemisfério inferior da cavidade e a instaurar um regime difusivo de transferência de calor. A introdução do bloco prejudica a transferência de calor caso o fluido esteja estagnado. Porém, nesse caso, incrementando-se a razão de condutividade térmica, o número de Nusselt aumenta. Se o bloco for inserido em uma cavidade na qual não há fluido quiescente (estagnado), a transferência de calor é beneficiada até um valor limite para a dimensão do bloco. Nessa situação, o aumento da razão de condutividade térmica prejudica a transferência de calor.
Abstract: Convection in porous media is ubiquitous in a series of engineering applications in petroleum and chemistry industry. In this work, forced and natural convection inside a lid-driven porous square cavity is numerically simulated. The heterogeneous approach is applied to the porous media. The solid constituent of the porous media is idealized as a square solid and heat-conducting block centered inside the enclosure. Non equilibrium conditions are imposed maintaining the bottom of the cavity with a temperature lower than the top surface. Additionally, the top surface slides at constant speed supplying momentum to the fluid. The main goal is to investigate the influence of Grashof number, Reynolds number, blockage size and solid-to-fluid thermal conductivity ratio on heat transfer and fluid flow. The flow parameters range simulated covers only laminar regime, 100≤Re≤1000 and 103≤Gr≤107. Furthermore, it is simulated four cavities configurations and five values for the thermal conductivity in the range 0,1≤K≤10,0.Conservation equations are solved separately for the fluid and for the solid block through the finite volume method. The QUICK interpolation scheme is set for numerical treatment of the advection terms in the conservation of momentum and energy equations. The SIMPLE algorithm is applied for pressure-velocity coupling. The results are exposed through the Nusselt number, the stream function lines and the isotherms. In this work, forced convection and natural convection compete for heat transfer predominance inside the cavity. On one hand, increasing the Re, or decreasing Gr, leads to an increase in circulations and heat transfer enhancement. On the other hand, increasing Gr, or decreasing Re, leads to fluid stagnation and, therefore, the instauration of conduction heat transfer. The introduction of a solid block might benefit heat transfer up to a limiting blockage size since there is no stagnant fluid. If there is stagnant fluid, the block introduction might decrease heat transfer. The influence of solid-to-fluid thermal conductivity ratio relies on the cavity configuration as well as if there is stagnant fluid. If there is stagnant fluid, increasing the thermal conductivity ration yield in heat transfer enhancement. However, if there is no stagnant fluid inside the cavity, the increase in K might mitigate heat transfer
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/6606
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