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Avaliação geométrica de três aletas inseridas em uma cavidade aplicando design construtal e o método superfície de resposta

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Autor Rodrigues, Priscila Martta;
Lattes do autor http://lattes.cnpq.br/1478423514431780;
Orientador Zinani, Flávia Schwarz Franceschini;
Lattes do orientador http://lattes.cnpq.br/8732272690265023;
Instituição Universidade do Vale do Rio dos Sinos;
Sigla da instituição Unisinos;
País da instituição Brasil;
Instituto/Departamento Escola Politécnica;
Idioma pt_BR;
Título Avaliação geométrica de três aletas inseridas em uma cavidade aplicando design construtal e o método superfície de resposta;
Resumo As cavidades dirigidas com aletas são utilizadas frequentemente como um caso simplificado para estudar e compreender diversos problemas complexos de engenharia, como por exemplo, trocadores e dissipadores de calor, buscando identificar qual geometria apresenta melhor desempenho. Nesse contexto, no presente trabalho foi realizado um estudo numérico e uma avaliação geométrica de um escoamento com transferência de calor por convecção mista. O objetivo foi avaliar os efeitos da geometria de três aletas inseridas no interior de uma cavidade dirigida sujeita à convecção mista sobre a transferência de calor entre as aletas e o fluido, indicando as configurações de melhor desempenho para diferentes condições, através da aplicação do método Design Construtal. O trabalho consistiu na investigação das seguintes etapas: i) avaliar o efeito das razões de aspecto de cada uma das três aletas sobre a taxa de transferência de calor; ii) avaliar o efeito das frações de área das aletas (ϕ1, ϕ2 e ϕ3), mantendo a fração de área da aleta esquerda (ϕ1) e a razão H1/L1 fixas, associado a uma varredura de um espaço de busca; iii) avaliar o efeito de diferentes frações de área total (ϕT = 0,05; 0,1 e 0,2) para diferentes razões de áreas das aletas, para número de Richardson (Ri) igual a 0,1 e 1, utilizando a metodologia Superfície de Resposta (RSM) associada ao Design de Experimentos; iv) comparar o desempenho do sistema para diferentes números de Richardson. Quando associado a uma varredura de um espaço de busca, os resultados indicaram que melhor desempenho foi alcançado quando a aleta 3 (ϕ3) tem a maior área e a maior razão H3/L3, ou seja, sugerem que a dominância da aleta 3 melhora a troca térmica, particularmente para razões H3/L3 mais altas, enquanto a predominância da aleta 2 é observada para razões H3/L3 mais baixas. A melhor geometria encontrada foi H1/L1 = 0,1, H2/L2 = 0,5, e H3/L3 = 19, resultando na maior taxa de transferência de calor para a configuração ϕ1 = 0,05, ϕ2 = 0,04, ϕ3 = 0,01. A avaliação do Design Construtal em conjunto com o RSM permitiu determinar a geometria que obtém o melhor desempenho térmico, variando a fração da área ocupada pelas aletas. Os resultados mostraram que a maior fração de área total proporciona o desempenho mais favorável, atribuído ao aumento da área de troca de calor fornecida pelas aletas. O melhor desempenho térmico para Ri = 0,1 foi 32% superior em comparação ao melhor desempenho para Ri = 1. Observou-se que o uso do Design Construtal associado a RSM apresentou um número menor de simulações quando comparada a uma varredura de um espaço de busca para razões de aspecto (Hn/Ln) similares.;
Abstract Lid-driven cavities are often used as a simplified case to study and understand various complex engineering problems, such as heat exchangers and heat sinks, in order to identify which geometry offers the best performance. In this context, the present work conducted a numerical study and geometric evaluation of a mixed convection flow with heat transfer. The objective was to assess the effects of the geometry of three fins inserted inside a lid-driven cavity subjected to mixed convection on the heat transfer between the fins and the fluid, indicating the configurations with the best performance under different conditions through the application of the Constructal Design method. The study involved the investigation of the following stages: (i) evaluating the effect of the aspect ratios of each of the three fins on the heat transfer rate; (ii) evaluating the effect of the fin area fractions (ϕ1, ϕ2, and ϕ3), keeping the left fin area fraction (ϕ1) and the ratio H1/L1 fixed, associated with a search space screening; (iii) evaluating the effect of different total area fractions (ϕT = 0.05, 0.1, and 0.2) for different fin area ratios for Ri = 0.1 and 1, using the Response Surface Methodology (RSM) combined with Design of Experiments; (iv) comparing the system performance for different Richardson numbers. When associated with a search space screening, the results indicated that the best performance was achieved when fin 3 (ϕ3) has the largest area and the highest H3/L3 ratio, suggesting that the dominance of fin 3 enhances thermal exchange, particularly for higher H3/L3 ratios, while the predominance of fin 2 is observed for lower H3/L3 ratios. The best geometry found was H1/L1 = 0.1, H2/L2 = 0.5, and H3/L3 = 19, resulting in the highest heat transfer rate for the configuration ϕ1 = 0.05, ϕ2 = 0.04, ϕ3 = 0.01. The evaluation of Constructal Design combined with RSM allowed for the determination of the geometry that achieves the best thermal performance by varying the fraction of the area occupied by the fins. The results showed that the largest total area fraction provides the most favorable performance, attributed to the increase in the heat exchange area provided by the fins. The best thermal performance for Ri = 0.1 was 32% higher compared to the best performance for Ri = 1. It was observed that the use of Constructal Design associated with RSM required fewer simulations compared to a search space sweep for similar aspect ratios (Hn/Ln).;
Palavras-chave Aleta; Cavidade dirigida; Convecção mista; Design construtal; Fin; Driven cavity; Mixed convection; Constructal design;
Área(s) do conhecimento ACCNPQ::Engenharias::Engenharia Mecânica;
Tipo Tese;
Data de defesa 2024-09-17;
Agência de fomento CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior;
Direitos de acesso openAccess;
URI http://repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/13451;
Programa Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica;


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