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Título: Investigação numérica da convecção natural de fluidos de lei de potência em cavidade aberta quadrada e preenchida com meio heterogêneo
Título(s) alternativo(s): Numerical investigation of natural convection of power-law fluids in square open cavities filled with heterogeneous medium
Autor(es): Silveira, Lucas Elias Caldart da
Orientador(es): Franco, Ademilson Teixeira
Palavras-chave: Calor - Convecção natural
Fluidos newtonianos
Fluidodinâmica computacional
Rayleigh, Ondas de
Engenharia mecânica
Heat - Convection, Natural
Newtonian fluids
Computational fluid dynamics
Rayleigh waves
Mechanical engineering
Data do documento: 13-Dez-2017
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Referência: SILVEIRA, Lucas Elias Caldart da. Investigação numérica da convecção natural de fluidos de lei de potência em cavidade aberta quadrada e preenchida com meio heterogêneo. 2017. 100 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2017.
Resumo: Nos últimos anos tem sido dada crescente atenção aos fluidos não newtonianos por compreenderem uma variedade de fluidos utilizados na indústria. Este trabalho dedica-se ao estudo do comportamento da convecção natural de fluido newtoniano generalizado em cavidade preenchida por meio heterogêneo e aberta para um reservatório. As paredes horizontais da cavidade são adiabáticas e a parede vertical é aquecida. A cavidade é quadrada e preenchida por blocos formando um meio heterogêneo de porosidade φ = 0; 64. O fluido segue o modelo de lei de potência e tem número de Prandtl fixo P r = 1000 e índice de potência n variando de 0; 6 a 1; 4. O escoamento ocorre em regime permanente e é caracterizado pelo número de Rayleigh, que é variado de 104 a 107. A solução numérica é realizada pelo programa comercial de dinâmica dos fluidos computacional ANSYS FLUENT R através do método dos volumes finitos. O acoplamento pressão-velocidade é feito pelo método SIMPLE e os algoritmos de discretização espacial para os termos advectivos, QUICK. A verificação da solução é feita por comparação com trabalhos publicados para as cavidades aberta limpa e fechada com um bloco para fluido newtoniano e cavidade fechada limpa com fluido de lei de potência. A malha adequada é encontrada e utilizada para a realização das simulações, cujos resultados são avaliados na forma de gráficos para número de Nusselt médio na parede aquecida e vazão mássica adimensional através da entrada da cavidade. Também são observadas visualizações de linhas de corrente, isotermas, perfis de velocidade e temperatura, e campos de viscosidade. Os resultados encontrados demonstram a forte dependência do escoamento e das trocas de calor com os parâmetros avaliados. Em geral, a convecção natural tende a se intensificar com o aumento do número de Rayleigh ou a diminuição do índice de lei de potência do fluido. O aumento do número de blocos afeta negativamente a convecção através do fenômeno da interferência da camada-limite, que pode ser prevista através de uma aproximação apresentada.
Abstract: In recent years non-newtonian fluids have been receiving increasing attention for their use in industries. This work dedicates itself to studying the behaviour of natural convection of a generalized newtonian fluid in a cavity filled with heterogeneous medium and open to a reservoir. The horizontal walls of the cavity are adiabatic and the vertical wall is heated. The cavity is of square dimensions and filled with blocks forming an heterogeneous medium of porosity φ = 0; 64. Fluid follows the power-law model and has a fixed Prandtl number P r = 1000 and power-law inex n varying from 0; 6 to 1; 4. Fluid flow occurs in a steady-state and is caracterized by the Rayleigh number, which is varied from 104 a 107. The numerical solution is executed by commercial fluid dynamics software ANSYS FLUENT R through the finite volume method. Pressure-velocity coupling is accomplished through the SIMPLE method and the discretization for the advective terms through the QUICK algorithm. Solution verification is made by comparison with published works for the open cavity and an enclosure with a centered block utilizing newtonian fluid, and for an enclosure with power-law fluid. Adequate meshing of the domain is obtained and applied to all cases solved, with results presented in the form of plots for Nusselt number on the heated wall and nondimensional mass flow through the cavity opening. Streamlines, heatlines, temperature and velocity profiles, and viscous fields are also observed. Results obtained show a strong dependence of the convection to changes on the varied parameters. In general, natural convection tends to increase with Rayleigh number or through the reduction of the power-law index. Increasing the number of blocks affects convection negatively through the boundary-layer interference phenomenon, which can be predicted by an approximation provided.
URI: http://repositorio.roca.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/9640
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