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Título: Análise da convecção em cavidade com o topo deslizante preenchida com meio poroso heterogêneo
Título(s) alternativo(s): Analysis of convection in cavity with lid-driven filled with heterogeneous porous medium
Autor(es): Santos, Felipe da Silva
Orientador(es): Junqueira, Silvio Luiz de Mello
Palavras-chave: Materiais porosos
Métodos de simulação
Dinâmica dos fluidos
Calor - Convecção natural
Engenharia mecânica
Porous materials
Simulation methods
Fluid dynamics
Heat - Convection, Natural
Mechanical engineering
Data do documento: 1-Dez-2016
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Referência: SANTOS, Felipe Santos. Análise da convecção em cavidade com o topo deslizante preenchida com meio poroso heterogêneo. 2016. 82 f. Trabalho de conclusão de curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2016.
Resumo: O estudo da convecção em meios porosos é relevante para uma variedade de aplicações de engenharia nas indústrias energética, farmacêutica, de alimentos e de petróleo. Neste trabalho, a transferência de calor por convecção em cavidade porosa com o topo deslizante submetida a uma condição gravitacionalmente estável é simulada numericamente. Tal condição é estabelecida mantendo a temperatura da superfície superior maior do que a da base e as paredes laterais adiabáticas. O meio poroso é modelado em microescala com o constituinte sólido caracterizado como blocos quadrados, uniformemente distribuídos e condutores de calor. As equações de balanço são aplicadas separadamente em cada constituinte, dividindo a cavidade em dois domínios distintos (sólido e fluido). Condições de compatibilidade são prescritas nas superfícies dos blocos impondo igualdade de temperaturas e de fluxos de calor. O objetivo é avaliar a influência dos parâmetros do escoamento na faixa de 1000 <= Re <=2500 e 100000 <= Gr 10000000, da fração volumétrica, 0,19 <= φ<=1 , e do número de blocos, 1 <= N <= 64 . As equações são solucionadas através do método dos volumes finitos, usando o esquema QUICK para os termos advectivos e o algoritmo SIMPLE para o acoplamento pressão - velocidade. Em geral, a inserção de blocos sólidos reduz a circulação de fluido, sendo esse efeito intensificado mediante a redução da fração volumétrica (para N constante) ou o aumento de N (para φ constante). Para situações predominantemente convectivas, mantendo N constante e diminuindo φ , resulta no aumento de transferência de calor. No entanto, para baixos valores de φ , os efeitos de interferência são severos e o Nusselt médio diminui. Adicionalmente, para φ constante, a convecção é desfavorecida com o aumento de N por causa dos efeitos de canalização impostos sobre o escoamento pelos canais entre os blocos. Por outro lado, para configurações predominantemente condutivas, a introdução de blocos prejudica a convecção. Contudo, se φ é baixo ou o número de blocos é alto, o fluido é forçado a circundar os blocos devido aos efeitos de estreitamento do escoamento, beneficiando a transferência de calor. O estreitamento é principalmente observado para N = 1, uma vez que N > 1, o efeito de canalização mantém a estagnação do fluido nas adjacências da base da cavidade.
Abstract: The study of convection in porous media is relevant to a variety of engineering applications in the energy, pharmaceutical, food and petroleum industry. In this work, the convection heat transfer in a lid-driven square porous cavity subjected to a gravitational stable condition is numerically simulated. Such condition is achieved because the enclosure top surface temperature is higher than the base and gravity acts downwards. The sidewalls are adiabatic. As buoyancy is not capable of promoting the fluid flow, a constant velocity is prescribed at the top surface. The porous media is modeled in micro scale with the solid constituent being envisioned as identical, uniformly distributed and heat conductive square solid blocks. The balance equations are applied at the blocks surfaces, requiring equal temperature and heat flux in both domains. The main objective is to evaluate the influence of the flow parameters, in the 1000 <= Re <= 2500 and 100000 <= Gr <= 10000000 , the volume fluid fraction, 0,19 <= φ <=1 ,and the number of blocks, 1 <= N <=. A numerical solution is sought through the Finite Volume Method using the QUICK scheme for the treatment of the advection terms and the SIMPLE algorithm for the pressure – velocity coupling. In general, the insertion of the solid obstructions is intensified either reducing the volume fraction (keeping N constant). It is observed two patterns for the heat transfer: convective and conductive-dominant. The latter is related with the occurrence of stagnant fluid near the enclosure base due to the hampering action of the buoyant forces. Curiously, for convective predominant situations, holding N constant and decreasing φ , might results in heat transfer augmentation. However, for low values of φ, the hindrance effects are so severe that the average Nusselt decays. Additionally, for constant φ , the convection is mitigated with increasing N because of the channeling effect imposed over the flow by the channels between the blocks. On the other hand, for conductive-dominant configurations, the blocks introduction disfavor the convection. Although, if φ is low or the number of blocks is high, the fluid is forced to envelop the blocks due to the squeezing effect. Such effect benefits the heat transfer, but it is mostly observed for N = 1. Once for N > 1, the channeling effect cloaks the squeezing and maintain flow stagnation in the cavity base adjacencies.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/9424
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