Análise geométrica e numérica da transferência de calor por convecção forçada de escoamentos turbulentos em um trocador de calor de micro canal

Abstract

O presente trabalho consiste na avaliação numérica de um escoamento turbulento, permanente, bidimensional, incompressível e com convecção forçada ao longo de um micro canal com paredes com corrugações em formato trapezoidal. A geometria do domínio é avaliada com o método Design Construtal. São aplicadas duas restrições, a área do micro canal e a área do trapézio da corrugação a montante do canal. A partir disso, são avaliados dois graus de liberdade: a razão entre a base menor e a base maior do trapézio da corrugação a montante do canal (LA2/LA1) e a razão entre a altura do trapézio e sua base maior (H1/LA1). Todos os casos são simulados para escoamentos convectivos com números de Reynolds e Prandtl iguais a ReD = 22.000 e Pr = 0,71. As equações temporais médias de conservação de massa, quantidade de movimento e energia são resolvidas através do Método dos Volumes Finitos implementado no software Ansys Fluent com modelo de turbulência RANS (Reynolds Averaged Navier-Stokes) e fechamento da turbulência utilizando o modelo kω - SST (Shear Stress Transport). O estudo tem por objetivo avaliar o efeito da geometria das corrugações sobre a taxa de transferência de calor e a perda de carga através do micro canal. Através do estudo foi possível encontrar a razão H1/LA1 a qual gera uma melhora de 26,2% na taxa de transferência de calor quando comparado ao pior caso para uma mesma razão LA2/LA1. Além disso, os resultados indicaram que, as maiores inserções da corrugação trapezoildal inferior conduziram a um melhor desempenho térmico do trocador, enquanto a corrugação superior possui pouca contribuição para a troca térmica. Do ponto de vista fluidodinâmico, as menores inserções na direção normal ao escoamento conduziram a menores perdas de carga, como intuitivamente esperado.The present work consists of the numerical evaluation of a turbulent, permanent, two-dimensional, incompressible flow with forced convection along a micro channel with corrugated walls in a trapezoidal shape. The domain geometry is evaluated with the Design Construtal method. Two constraints are applied, the microchannel area and the trapeze area of the corrugation upstream of the channel. From this, two degrees of freedom are evaluated: the ratio between the minor base and the major base of the trapezium of the corrugation upstream of the channel (LA2/LA1) and the ratio between the height of the trapezoid and its major base (H1/LA1). All cases are simulated for convective flows with Reynolds and Prandtl numbers equal to ReD = 22,000 and Pr = 0.71. The average time conservation equations for mass, momentum and energy are solved using the Finite Volume Method implemented in the Ansys Fluent software with a RANS turbulence model (Reynolds Averaged Navier-Stokes) and turbulence closure using the kω - SST (Shear Stress Transport) model. The study aims to evaluate the effect of corrugation geometry on the heat transfer rate and head loss through the microchannel. Through the study it was possible to find the H1/LA1 ratio which generates an improvement of 26.2% in the heat transfer rate when compared to the worst case for the same LA2/LA1 ratio. Furthermore, the results indicated that the greater insertions of the lower trapezoidal corrugation led to a better thermal performance of the exchanger, while the upper cor- rugation has little contribution to the thermal exchange. From the fluid dynamic point of view, smaller insertions in the direction normal to the flow led to smaller head losses, as intuitively expected.