Convecção mista em cavidades com fontes de calor aletadas

Abstract

Neste trabalho estuda-se a convecção mista laminar em regime permanente em cavidades retangulares com fonte de calor para diferentes razões de aspecto. Para a determinação das distribuições de velocidades e temperaturas são utilizadas as equações da conservação da massa quantidade de movimento e de energia com a aproximação de Boussinesq. A solução das equações diferenciais é feita através do método de volumes finitos utilizando o esquema de discretização de Power-Law, proposto por Patankar e o procedimento SIMPLE foi empregado para obtenção do acoplamento pressão-velocidade. O modelo foi inicialmente utilizado para simulação de convecção natural, com objetivo de validação e comparação com resultados de problemas similares encontrados na literatura. Posteriormente foi estudad a convecção mista, para diferente condições de contorno envolvendo temperaturas conhecidas e paredes adiabáticas, variando-se a potência dissipada, o fluxo de massa injetado e a razão de aspecto da cavidade. Como resultados, são apresentado valores para o número de Nusselt baseado no coeficiente global de transferência de calor em função do número de Rayleigh, do número de Richardson e da razão de aspecto. Os resultados confirmam que a convecção mista é mais efetiva para a transfrência de calor do que a convecção natural, exceto para uma pequena faixa de número de Richardson e em cavidades de razão de aspecto elevada, quando a formação de recirculações junto à base da fonte geradora desvia o escoamento forçado piorando a transferência de calor.

In this work, the steady state laminar mixed convection inside a rectangular enclosure with discrete heat source for different aspect rations is studied. The velocity an temperature distributions were perfomed using the mass, momentum and energy conservation equations with the Boussinesq aprroximation. The differential equations solutions were carried out by the finite volume method using the power-law discretization, scheme, proposed by Patankar and the SIMPLE algorithm to obtain the pressure-velocity relationship. The developed model was first used to simulate natural convection processes in order to validate it through comparison with results for similar problems found in the open literature. After that the mixed convection, comsidering different boundary condition combinations, including prescribed temperatures and adiabatic walls, varying the dissiáted heat, the injected flow rate and enclosure aspect ratio. As results, the Nusselt number based on the overall heat transfer coefficient, behavior is presented as functions of Rayleigh and Richardson numbers and enclosure aspect ratio. The results confirm that the mixed convection is a more effective heat transfer mechanism than natural convection except fpr a narrow Richardson number range and high aspect ratios when the formation of recirculations near the heat source base mdeviates the forced flow away of the source.