Análise numérica da geometria de aletas inseridas em cavidades dirigidas em escoamento com transferência por convecção forçada

Abstract

O presente trabalho apresenta um estudo numérico de escoamento laminar em três cavidades quadradas aletadas sob o efeito de convecção forçada. O escoamento proposto é assumido bidimensional, laminar e permanente. Objetiva-se através do Design Construtal a obtenção de geometria ótima da aleta de forma a maximizar a transferência de calor entre o fluido que escoa no interior da cavidade e a aleta aquecida, para alguns números de Reynolds (ReH = 10; 50; 100 e 1000). Para isto é fixada a relação das dimensões externas da cavidade (H/L = 1) e variação da geometria da aleta entre seu comprimento e altura (H1/L1) para a otimização da troca térmica. Todas as simulações são realizadas com número de Prandtl fixo (Pr = 0,71). A relação entre a área da cavidade e a aleta é considerada fixa ( = 0,05). As equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia foram resolvidas através de um código comercial de dinâmica dos fluidos computacional (CFD - do inglês: Computational Fluid Dynamics) baseado no método dos volumes finitos. O Design Construtal permitiu um significativo aumento de desempenho térmico, o maior número de Nusselt (NuH) foi obtido para a aleta inserida na superfície lateral direita da cavidade com H1/L1 = 2,0 com ReH = 1000, mostrando que o desempenho térmico depende da geometria. Como esperado, a geometria tem forte influência sobre o NuH para todos os ReH avaliados.

The current work presents a numerical study of laminar flow in three finned square cavities under forced convection. The proposed flow is two-dimensional, laminar and steady. Using Constructal Design in order to obtain a optimal geometry of the fin to maximize the heat transference between the fluid that flow into the cavity and the heated fin, for some Reynolds numbers (ReH = 10; 50; 100 e 1000). For this, it is fixed the extern dimension relation of cavity (H/L = 1) and the fin geometry variation between the legth and the height (H1/L1) for optimization of the heat exchange. All the simulations are perfomed for a fix Prandtl number (Pr = 0,71). The relation between the cavity area and the fin is considered fixed ( = 0,05). The conservation equations of mass, momentum and energy were resolved through a commercial code of computational fluid dynamics based in the finite volume methods. The Constructal Design allow a significant increasing of thermal performance, the Nusselt biggest number (NuH) was obtained for the inserted fin on the right side surface of cavity with H1/L1 = 2,0 with ReH = 1000, showing that the thermal performance depends of the geometry. As expected, the geometry has a strong influence on NuH for all ReH evaluated.