Numeric simulation of developing turbulent flow in eccentric channels effect of the velocity fluctuations on the convective heat transfer

Abstract

A transferência de calor convectiva e as características do escoamento em canais anulares é um fenômeno importante no campo da engenharia. Muitas das aplicações da engenharia te, canais concêntricos e excêntricos, como trocadores de calor, reatores nucleares, sistemas de energia solar, esfriamento de dispositivos eletrônicos. Alguns canais anulares aparecem como resultado de erros na fabricação ou na construção levando a ter desalinhamento das tubulações e assim o aparecimento dessas configurações geométricas com fendas estreitas. Nos dois caos é importante entender o comportamento do escoamento. O intuito do trabalho é investigar o efeito das flutuações da velocidade nos coeficientes de transferência de calor para canais excêntricos usando simulação numérica. Os principais parâmetros geométricos do canal são o comprimento, L=1500 mm e a razão dos diâmetros Di/Do=0.5. A excentricidade muda entre 0.7 e 0.9 em intervalos de 0.05. Para os problemas acoplados o numero de Reynolds e o numero de Prandtl foram mantidos constantes Re = 15000 e Pr = 0.7. A condição de contorno para o problema de transferência de calor foi um fluxo de calor prescrito na parede interna q’’ = 2000 W/m2 e a parede externa é mantida isolada. Foram feitas simulações numéricas usando formulações URANS/LES com o intuito de ter uma previsão das principais características do escoamento turbulento. O fluido de trabalho foi ar e o numero de Reynolds foi baseado no diâmetro hidráulico a velocidade media ub e a viscosidade cinemática do -SST, esse modelo resolve o campo de fluxo fazendo uma troca entre o modelo LES e o modelo kw SST. A geometria do problema e a mesma usada pelo Choueiri e o Tavoularis [1] no seu trabalho experimental. Na nossa primeira simulação só o campo de velocidade, as Tensões de Reynolds e a dinâmica do escoamento foi simulada e comparada com o trabalho experimental. Depois o numero de Reynolds foi incrementado e o problema de transferência de calor foi adicionado. Para ter certeza que a metodologia usada era certa, foi simulado um caso concêntrico com o problema de transferência de calor. Os resultados foram comparados com es equações analíticas presentadas pelo Gnielinski (2011). A analise de resultados mostrou que o modelo usado para as simulações numéricas teve sucesso ao prever as características do escoamento. O comportamento quase-periódico foi modelado corretamente pelo código e presentou uma boa concordância com os resultados experimentais do Choueiri e o Tavoularis [1]. A metodologia usada para os casos com transferência de calor foi validada com as equações analíticas para o caso concêntrico. Após a validação da metodologia, os casos excêntricos foram simulados com a s mesmas condições de contorno. Foi possível achar uma correlação direta entre o numero de Nusselt e o comportamento dinâmico do escoamento. Segundo os resultados, após do inicio das flutuações de velocidade a redução da área não afeta fortemente o processo de transferência de calor. Foi achada uma excentricidade ótima e=0.85 onde foi ppossivel manter quase os mesmos valores do numero de Nusselt que foram obtidos no caso concêntrico. Os piores resultados foram obtidos nas excentricidades de 0.7 e 0.75 onde as flutuações de velocidade não apareceram ou apareceram só no final do canal e o numero de Nusselt apresentou reduções de ate 75% comparado com o caso concêntrico.