Estudo numérico e experimental da convecção natural sobre placas planas e com ondulações

Data
2023-12-15
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IFSP

Resumo

A transferência de calor por convecção natural ocorre através de forças de empuxo, geradas a partir de gradientes de massa específica e temperatura e da aceleração da gravidade. Cada vez mais pesquisa-se a otimização de sistemas de resfriamento por convecção natural, com o objetivo de reduzir ou eliminar a utilização de sistemas convencionais de resfriamento por circulação forçada. Nesse sentido, o uso de superfícies com ondulações para melhorar a eficiência térmica das trocas de calor por convecção natural tem sido extensivamente pesquisado. O objetivo deste trabalho é o estudo numérico-experimental da transferência de calor por convecção natural sobre placas isotérmicas de geometria plana e com ondulações quadradas, trapezoidais e triangulares. Na definição da metodologia numérica mais adequada a situação-problema, diversos modelos numéricos, em diferentes configurações e parâmetros físico-numéricos, foram construídos e estudados; com resolução através software livre e de código aberto OpenFOAM®. Um aparato experimental foi projetado e construído para o estudo do processo de resfriamento das placas, para validação dos modelos numéricos e análise comparativa de resultados empíricos das diferentes geometrias. Os resultados experimentais validaram, com boa exatidão, os modelos numéricos das geometrias estudadas para o intervalo de 𝑅𝑎𝐿𝑃 analisado. A utilização do modelo de turbulência 𝜅 − 𝜀, de forma geral, forneceu resultados numéricos de maior acuracidade. Expressões empíricas do 𝑁𝑢𝐿𝑃 em função do 𝑅𝑎𝐿𝑃 , para as diferentes geometrias estudadas e nos intervalos experimentais de 𝑅𝑎𝐿𝑃 , foram determinadas. O aumento da área global de transferência de calor mostrou exercer maior influência na eficiência térmica das placas que as perturbações geradas no escoamento. A geometria com ondulações trapezoidais apresentou maior eficiência e dimensão de pluma térmica, seguida das geometrias com ondulações quadradas, triangulares e, por fim, a placa plana.


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