Convecção natural em cavidades 3D

Abstract

A transferência de calor por convecção natural em um fluido confinado entre superfícies (cavidade) e a diferentes temperaturas é um problema que está relacionado com diversas situações práticas que envolvem o condicionamento de produtos na indústria de alimentos, a calefação ou refrigeração. O problema específico aqui analisado diz respeito ao aquecimento transiente de uma cavidade 3D completamente cheia, inicialmente a uma temperatura T0. Em um determinado momento, todas as paredes da caixa são aquecidos a uma temperatura TW, maior que T0. O calor se propaga por convecção natural em recintos até o seu equilíbrio térmico completo. Este problema é analisado por simulações numéricas pelo software de fluidodinâmica OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) e comparado com dados experimentais: cavidade cúbica do trabalho de Lin (1982) e Lin e Akins (1983) e a cavidade paralelepípeda retangular do trabalho de Tollini (1996). Uma discussão sobre a topologia, padrões do escoamento e perda de simetria dentro da cavidade e os efeitos da convecção natural são apresentados. Verificou-se que para baixos números de Rayleigh ocorria a manutenção dos padrões nas estruturas de fluidos aquecidas (em forma de cogumelos) que se formavam na base da cavidade. Sugerindo a desestabilização dessas estruturas para Rayleigh próximos à números de transição laminar-turbulento, observados na simulação de Grandes Escalas. Foram feitas várias implementações na criação de novos Solvers para problemas de agitação/rotação, para convecção natural com Simulação de Grandes Escalas e cálculos auxiliares, que servirão como ferramenta para outros usuários do OpenFOAM.

ABSTRACT - The heat transfer by natural convection in a fluid confined between surfaces (cavity) and at different temperatures is a problem that is related to a number of practical situations involving conditioning products in the food industry, heating or cooling. The specific problem discussed here relates to transient heating a 3D completely filled cavity initially at a temperature T0. At one point, all the walls of the box are heated to a temperature TW, greater than T0. The heat is spread by natural convection in enclosures to its full thermal equilibrium. This problem is examined by numerical simulations by software fluid dynamics OpenFOAM (Open Field Operation and Manipulation) and compared to experimental data: cubic cavity of the work Lin (1982) and Lin e Akins (1983) and the rectangular parallelepiped cavity work of Tollini (1996). A discussion of the topology, flow patterns and loss of symmetry within the cavity and the effects of natural convection are presented. It was found that for low Rayleigh numbers occurred at maintaining standards in the heated fluids structures (mushroom-shaped) which is formed at the base of the cavity. Suggesting the destabilization of these structures to Rayleigh numbers near laminar-turbulent transition, observed in simulation Large Scales. several implementations were made in the creation of new Solvers for problems of agitation/rotation for natural convection with large simulation scales and auxiliary calculations, which will serve as a tool for other users of OpenFOAM.