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 aquecidas 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.