Modelagem e simulação numérica da transferência de calor por convecção natural multifásica em uma cavidade

Abstract

Resumo: Este estudo consiste na modelagem e simulação numérica para investigar a transferência de calor por convecção natural em uma cavidade preenchida com um único fluido ou dois fluidos imiscíveis dispostos em camadas e com gradiente de temperatura horizontal, variando a razão de altura entre os fluidos, o número de Rayleigh e a geometria da cavidade. Foram utilizadas cavidades com ângulos de inclinação das paredes laterais de 0°, 10° e 20°, números de Rayleigh de 103, 104, 105 e 106, e razão de altura entre os fluidos de 0 (somente hexadecano), 0.25, 0.50, 0.75 e 1 (somente água). Os fluidos utilizados nas simulações são água e hexadecano, cuja propriedades físico-químicas são consideradas constantes. A separação das fases com base na fração volumétrica de cada fluido foi estudada para validar a consideração de não deformação da interface, modelada utilizando o método do volume de fluido. Foram analisados perfis de temperatura e linhas de corrente para os casos simulados. Observou-se que a taxa de transferência de calor por convecção é proporcional ao número de Rayleigh e ao ângulo de inclinação. O acoplamento entre as fases, na maioria dos casos, é viscoso. Com o aumento do ângulo de inclinação e do número de Rayleigh o acoplamento passa a ser térmico. A razão de altura também inverte o tipo de acoplamento, indo de viscoso para térmico com o aumento da camada de água. Dados de número de Nusselt ao longo da parede e de Nusselt médio em função do tempo adimensional também foram estudados. A transferência de calor por convecção se torna menor ao longo da parede quente. Na interface entre os fluidos ocorre uma diminuição do número de Nusselt. As curvas apresentam característica senoidal. O tempo necessário para o número de Nusselt ser constante diminui com o aumento do número de Rayleigh e da camada de água. Por outro lado, o ângulo de inclinação não parece ter efeito nenhum no tempo

Abstract: This study involves the modeling and numerical simulation to investigate heat transfer by natural convection in a cavity filled with a single fluid or two immiscible fluids arranged in layers with a horizontal temperature gradient, varying the height ratio between the fluids, the Rayleigh number, and the geometry of the cavity. Cavities with side wall inclination angles of 0°, 10°, and 20°, Rayleigh numbers of 103, 104, 105, and 106, and height ratios between the fluids of 0 (only hexadecane), 0.25, 0.50, 0.75, and 1 (only water) were used. The fluids used in the simulations are water and hexadecane, whose physicochemical properties are considered constant. The phase separation based on the volumetric fraction of each fluid was studied to validate the consideration of non-deformation of the interface, modeled using the volume of fluid method. Temperature profiles and streamlines were analyzed for the simulated cases. It was observed that the heat transfer rate by convection is proportional to the Rayleigh number and the inclination angle. The coupling between the phases is viscous in most cases. With the increase in the inclination angle and the Rayleigh number, the coupling becomes thermal. The height ratio also reverses the type of coupling, going from viscous to thermal with the increase in the water layer. Nusselt number data along the wall and average Nusselt number as a function of dimensionless time were also studied. Heat transfer by convection becomes lower along the hot wall. At the interface between the fluids, there is a decrease in the Nusselt number. The curves exhibit a sinusoidal characteristic. The time required for the Nusselt number to become constant decreases with the increase in the Rayleigh number and the water layer. On the other hand, the inclination angle does not seem to affect the time