Estudo numérico da forma geométrica de canais aletados em escoamento com transferência de calor por convecção mista

Abstract

No presente trabalho é realizado um estudo numérico em escoamento incompressível, laminar, bidimensional com convecção mista em um canal horizontal com duas aletas retangulares inseridas nas superfícies, onde a influência da geometria e o posicionamento das aletas sobre a taxa de transferência de calor são avaliados com o método Design Construtal. O problema é submetido a duas restrições geométricas, dadas pelas áreas do canal e das duas aletas, e três graus de liberdade: H1/L1, que é a razão entre as dimensões da aleta a montante do escoamento, H2/L2, é a razão entre as dimensões das aletas a jusante e L3, o distanciamento entre os centros das aletas. Dessa forma, foi possível maximizar a taxa de transferência de calor por unidade de comprimento três vezes (qmmm). Também foi avaliada a influência geométrica para diferentes números de ReH (10, 100 e 200) e GrH (103, 104 e 105). A criação do domínio computacional, discretização e especificação das regiões de imposição das condições de contorno (pré-processamento) foram realizadas com o software GAMBIT®. Já o processamento, que consiste em solucionar numericamente, através do Método dos Volumes Finitos, as equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia, foi realizado no software FLUENT®. A partir dos resultados obtidos pode-se observar que as taxas de transferência de calor por unidade de comprimento foram maximizadas para as maiores razões de H1/L1 e H2/L2, ou seja, quando as aletas tiveram a maior inserção no domínio do canal. O distanciamento, uma vez otimizado das aletas, (L3)o, sofreu influência dos números de ReH e GrH avaliados. Dessa forma, os resultados indicaram que a aplicação do Design Construtal levou a resultados com mais de 100% de diferença na taxa de transferência de calor entre as geometrias ótimas e as piores configurações estudadas, evidenciando assim a relevância e a necessidade da realização de uma análise geométrica do problema proposto para alcançar um desempenho satisfatório.

In this work we performed a numerical study on a flow that is incompressible, laminar, and two-dimensional with mixed convection in a horizontal channel with two rectangular flaps placed on the surfaces of the channel, where the influence of the geometry and positioning of the fins over heat transfer rates are evaluated with the Constructal Design method. The problem is subjected to two geometric constraints given by the areas of the channel, the areas of two flaps and three degrees of freedom: H1/L1, which is the ratio between the dimensions of the flap upstream of the flow, H2/L2 is the ratio between the dimensions of downstream fins and L3, the distance between the centers of the fins. Thus, it was possible to maximize the heat transfer rate per unit of length three times (q'mmm). It was also evaluated, in this study, the geometric influence for different numbers of ReH (ReH = 10, 100 and 200) and GrH (GrH = 103, 104 and 105). The creation of the computational domain, domain discretization and specification of the imposition regions of the boundary conditions (preprocessing) was performed with the GAMBIT® software. On the other hand, the processing step, which consists on solving numerically mass conservation, momentum and energy equations by the Finite Volume Method, was done with FLUENT® software. From the results it could be observed that heat transfer rates per unit of length were maximized to the highest ratios of H1 / L1 and H2 / L2, that is, when the fins have a greater insertion in the channel field. The once optimized spacing of fins, (L3)o, was influenced by the number of ReH and GrH evaluated. Thus, the results indicate that the Constructal Design application led to a more than 100% difference in heat transfer rate between the optimal geometries and the worst studied configurations. Thus demonstrating the relevance and necessity of performing a geometric analysis of the proposed issue to achieve satisfactory performance.