Avaliação geométrica de escoamento com convencção forçada sobre arranjo alternado de cilindros empregando design construtal

Abstract

O presente trabalho apresenta um estudo numérico acerca da avaliação geométrica de um escoamento sobre quatro cilindros dispostos alternadamente, com convecção forçada, bidimensional, laminar, transiente e incompressível. A geometria varia de acordo com o método Design Construtal. Os objetivos são a maximização do número de Nusselt (NuD) e a minimização do coeficiente de arrasto (CD) entre os cilindros e o escoamento circundante. As simulações numéricas foram realizadas considerando números de Reynolds de ReD = 10, 40 e 150, com número de Prandtl de Pr = 0.71 (que simula o ar como fluido de trabalho). O problema apresenta três graus de liberdade: ST/D (relação entre o passo transversal dos cilindros intermediários e o diâmetro), SL1/D (relação entre o passo longitudinal dos cilindros frontal e intermediários e o diâmetro) e SL2/D (relação entre o passo longitudinal dos cilindros intermediários e posterior e o diâmetro). Além disso, as medidas atribuídas para 1.5 < SL1/D < 4.0, 1.5 < SL2/D < 3.0 e 1.5 < ST/D < 5.0, totalizando 288 simulações. As equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia são resolvidas utilizando o software FLUENT® 14.5, o qual se baseia no Método dos Volumes Finitos (MVF). Os resultados indicam que o ReD possui influência sobre a geometria ótima do arranjo e sobre o efeito de cada grau de liberdade sobre os indicadores de performance. Para ReD = 10 notou-se uma configuração assimétrica, onde os cilindros centrais estão posicionados próximos ao cilindro frontal. Para ReD = 40 a melhor configuração foi obtida para os cilindros centrais mais próximos ao cilindro posterior e para ReD = 150 uma configuração levemente assimétrica conduziu ao melhor desempenho. Dessa forma, os resultados indicaram que o uso de passos longitudinais diferentes pode conduzir a um melhor desempenho quando comparado a arranjos simétricos (com um único passo longitudinal SL).

This presents a numerical study about the geometric evaluation of flow on four cylinders arranged alternately, with forced convection, two-dimensional, laminar, transient and incompressible flow. The geometry varies according to the Design Construtal method. The aims are the maximization of Nusselt number (NuD) and the minimization of drag coefficient (CD) between the cylinders and the surrounding flow. Numerical simulations were performed considering Reynolds numbers of ReD = 10, 40 and 150, with Prandtl number of Pr = 0.71 (which simulates air as working fluid). The problem has three degrees of freedom: ST/D (ratio between the cross-section of the intermediate cylinders and the diameter), SL1/D (ratio between the longitudinal pitch of the front and intermediate cylinders and the diameter) and SL2/D (the longitudinal pitch of the intermediate and posterior cylinders and the diameter). In addition, the measures assigned for SL1/D = 1.5; 3.0 and 4.0, for SL2/D = 1.5; 2.0; 2.5 and 3.0 and 1.5 < ST/D < 5.0, totaling 288 simulations. The conservation equations of mass, momentum and energy are solved using FLUENT® software in its version 14.5, which is based on the Finite Volume Method (MVF). The results indicate that ReD has influence on the optimal geometry of the arrangement and on the effect of each degree of freedom on the performance indicators. For ReD = 10 an asymmetrical configuration was noted, where the central cylinders are positioned close to the front cylinder. For ReD = 40 the best configuration was obtained for the central cylinders closest to the rear cylinder and for ReD = 150 a slightly asymmetrical configuration led to the best performance. Thus, the results indicated that the use of different longitudinal steps may lead to better performance when compared to symmetrical arrangements (with a single longitudinal pitch SL).