Simulação numérica da convecção natural em meios porosos aplicada a silos de armazenamento

Abstract

Resumo: O armazenamento adequado de grãos é essencial para a preservação de sua qualidade, sendo a temperatura um dos principais fatores que influenciam esse processo. Nesse contexto, a convecção natural exerce papel fundamental no campo de temperaturas no interior de silos, podendo levar à formação de gradientes de temperatura e bolsões de calor. Este trabalho tem como objetivo analisar a transferência de calor por convecção natural em silos de armazenamento de grãos por meio de modelagem numérica em geometria bidimensional, considerando o escoamento em meio poroso sob a hipótese de desequilíbrio térmico local entre as fases sólida (grãos) e fluida (ar intersticial). O modelo matemático foi formulado a partir das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia, sendo esta última resolvida separadamente para cada fase, de modo a capturar com maior fidelidade os fenômenos de troca térmica no interior da massa granular. A modelagem do escoamento considerou as forças de empuxo associadas às variações de densidade, responsáveis pela indução da convecção natural. Inicialmente, foi desenvolvido um código em FORTRAN, onde as equações governantes foram resolvidas por meio do método dos volumes finitos, e com emprego do algoritmo SIMPLE para solução do acoplamento pressão-velocidade, com resultados obtidos em regime permanente. Posteriormente, buscando otimização do tempo computacional e melhoria na convergência das simulações numéricas realizadas, foi empregado o software comercial Ansys® Fluent, com resultados obtidos em regime transiente. O modelo foi previamente validado com dados da literatura, permitindo a realização de análises envolvendo diferentes condições térmicas de contorno, variações de porosidade associadas a diferentes tipos de grãos e modificações na geometria do silo. Os resultados evidenciam a formação de padrões convectivos característicos, com presença de vórtices e bolsões de calor, cuja intensidade e persistência dependem das propriedades do meio e das condições impostas

Abstract: Proper grain storage is essential for preserving grain quality, with temperature being one of the main factors influencing this process. In this context, natural convection plays a fundamental role in the temperature field inside storage silos, potentially leading to the formation of temperature gradients and hot spots. This work aims to analyze heat transfer by natural convection in grain storage silos through numerical modeling in a two dimensional geometry, considering flow through a porous medium under the assumption of local thermal non-equilibrium between the solid phase (grains) and the fluid phase (interstitial air). The mathematical model was formulated based on the conservation equations of mass, momentum, and energy, with the latter being solved separately for each phase in order to more accurately capture the thermal exchange phenomena within the granular mass. The flow modeling considered buoyancy forces associated with density variations, which are responsible for inducing natural convection. Initially, a FORTRAN code was developed, where the governing equations were solved using the finite volume method, employing the SIMPLE algorithm for pressure–velocity coupling, with results obtained under steady-state conditions. Subsequently, aiming to optimize computational time and improve the convergence of the numerical simulations, the commercial software Ansys® Fluent was employed, with results obtained under transient conditions. The model was previously validated against data available in the literature, allowing analyses involving different thermal boundary conditions, porosity variations associated with different grain types, and modifications in silo geometry. The results demonstrate the formation of characteristic convective patterns, including the presence of vortices and hot spots, whose intensity and persistence depend on the medium properties and imposed conditions