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

Abstract

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 Ra analisado. A utilização do modelo de turbulência κ-ε, de forma geral, forneceu resultados numéricos de maior acuracidade. Expressões empíricas do Nu em função do Ra, para as diferentes geometrias estudadas e nos intervalos experimentais de Ra, 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.

Natural convection heat transfer occurs through buoyancy forces, generated from density and temperature gradients and gravity acceleration. More and more research is being done on the optimization of natural convection cooling systems, with the aim of reducing or eliminating the use of conventional forced circulation cooling systems. Following this idea, the use of corrugated surfaces to improve the thermal efficiency of natural convection heat transfer has been extensively researched. The objective of this work is the numerical-experimental study of natural convection heat transfer on isothermal plates of plane geometry and with square, trapezoidal and triangular corrugations. In defining the most adequate numerical methodology to the problem situation, several numerical models were constructed and studied in different configurations and physical-numerical parameters; with resolution through OpenFOAM® free and open-source software. An experimental apparatus was designed and built to study the cooling process of the plates, for validation of the numerical models and comparative analysis of empirical results of the different geometries. The experimental results validated, with good precision, the numerical models of the studied geometries for the range of Ra analyzed. The use of the κ-ε turbulence model, in general, provided numerical results with greater accuracy. Empirical expressions of Nu as a function of Ra, for the different geometries studied and in the experimental ranges of Ra, have been determined. The increase in the global heat transfer area showed a greater influence on the thermal efficiency of the plates than the disturbances generated in the flow. The geometry with trapezoidal corrugations presented greater efficiency and greater thermal plume dimension, followed by geometries with square and triangular corrugations and, finally, the flat plate.