Desing construtal aplicado à convecção de calor em cavidades com obstáculos
| Orientador(a) (dc.contributor.advisor) | Zinani, Flávia Schwarz Franceschini | |
| Lattes Orientador(a) (dc.contributor.advisorLattes) | http://lattes.cnpq.br/8732272690265023 | pt_BR |
| Autor(a) (dc.contributor.author) | Borahel, Rafael da Silveira | |
| Autor(a) Lattes (dc.contributor.authorLattes) | http://lattes.cnpq.br/7735549135556238 | pt_BR |
| Data de Disponibilização (dc.date.accessioned) | 2025-01-07T17:50:09Z | |
| dc.date.available (dc.date.available) | 2025-01-07T17:50:09Z | |
| Data da defesa / Data do evento (dc.date.issued) | 2024-02-22 | |
| Abstract (dc.description.abstract) | From the perspective of the constructal design, this work investigated the convection process in a lid-driven cavity with an isothermal block (BI) inside, with the aim of maximizing the dimensionless heat transfer rate (𝑞∗) on the walls of the block. Keeping the BI vertically centred (𝑦0∗ = 0,5) in the cavity, the degrees of freedom (GL) considered for the system were the cavity and BI aspect ratios (𝐴𝑅 and 𝐴𝑅0, respectively), combined with the dimensionless horizontal position of the BI inside the cavity (𝑥0∗ ). In addition to these parameters, the size of the isothermal block – symbolized by – was also considered a key parameter of the system. For this purpose, four different sizes were considered to the BI ( = 1/4, 1/8, 1/16 and 1/32), making it possible to analyze their effects on the flow and convective heat transfer inside the system. By varying these parameters, a total of 280 different designs were generated and tested for the system, which were evaluated in the dominant forced, mixed, and natural convection scenarios, resulting in 840 analyzed cases. The convective flow inside the cavity was considered Newtonian, two-dimensional, laminar, incompressible and steady-state The mathematical model consisted of the conservation equations of mass, momentum (in 𝑥 and 𝑦 directions) and energy. All the equations were solved computationally through numerical simulations carried out in ANSYS FLUENT 2023 R1, which uses the finite volume method (MVF). Among the 280 different designs created and tested for the system, the one that proved to be the most effective in promoting 𝑞∗ was characterized by 𝐴𝑅 = 0.35 (horizontal cavity) and 𝐴0 = 1 (square). Through this design, giving to the BI its largest size ( = 1/4), the maximum value of 𝑞∗ (31,19) was achieved with the BI subtly shifted to the right (𝑥0 ∗ = 0,6) in the forced convection scenario. In general, this system configuration stood out in promoting 𝑞∗ due to having a larger lid, which moves a greater amount of fluid, thus increasing the momentum of the flow. In addition, the horizontal shape of the cavity narrows its upper gap, bringing the top wall of the BI closer to the sliding lid and thus reducing the thickness of the thermal boundary layer that forms there, which benefits heat transfer. | en |
| Resumo (dc.description.resumo) | Pela ótica do design construtal, investigou-se neste trabalho o processo de convecção no interior de uma cavidade de tampa deslizante com um bloco isotérmico (BI) dentro, objetivando maximizar a taxa adimensional de transferência de calor (𝑞∗) nas paredes do bloco. Mantendo o BI verticalmente centralizado (𝑦0∗ = 0,5) na cavidade, os graus de liberdade (GL) admitidos ao sistema foram: a razão de aspecto da cavidade (𝐴), a razão de aspecto do BI (𝐴𝑅0) e a posição horizontal adimensional doBI no interior da cavidade (𝑥0∗). Além desses parâmetros, o tamanho do BI – simbolizado por – também foi considerado um parâmetro de projeto chave do sistema. Nesse sentido, quatro diferentes tamanhos foram contemplados a ele ( = 1/4, 1/8, 1/16 e 1/32), possibilitando a análise de seus efeitos sobre o escoamento e a troca térmica convectiva. Pela variação desses parâmetros, um total de 280 diferentes designs foram originados e testados para o sistema, todos os quais individualmente analisados nos cenários de convecção forçada, mista e natural dominantes, resultando em 840 casos analisados. O escoamento no interior da cavidade foi considerado newtoniano, bidimensional, laminar, incompressível e permanente (não dependente do tempo). O modelo matemático foi composto pelas equações de conservação da massa, quantidade de movimento (nas direções 𝑥 e 𝑦) e energia. Todas as equações foram solucionadas computacionalmente, através de simulações numéricas executadas no ANSYS FLUENT 2023 R1, que faz uso do método dos volumes finitos (MFV). Dentre os 280 diferentes designs originados e testados para o sistema, o que mais se destacou na promoção de 𝑞∗ foi definido por 𝐴𝑅 = 0,35 (cavidade horizontal) e 𝐴𝑅0 = 1 (BI quadrado). Através desse design, admitindo ao BI o seu maior tamanho ( = 1/4), é que se alcançou o máximo valor de 𝑞∗ (31,19), que foi obtido com o BI sutilmente deslocado para a direita (𝑥0∗ = 0,6) no cenário de convecção forçada dominante. Em geral, esta configuração do sistema teve destaque na promoção de 𝑞∗ por apresentar uma tampa deslizante maior, que desloca uma quantidade mais significativa de fluido, incrementando assim a quantidade de movimento do escoamento. Somado a isso, o formato horizontal da cavidade faz com que sua fenda superior seja mais estreita, aproximando a parede superior do BI à tampa deslizante e, consequentemente, reduzindo a espessura da camada limite térmica que se desenvolve ali, o que beneficia a transferência de calor. | pt_BR |
| Agência de fomento (dc.description.sponsorship) | CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior | pt_BR |
| URI (dc.identifier.uri) | http://repositorio.jesuita.org.br/handle/UNISINOS/13452 | |
| Idioma (dc.language) | pt_BR | pt_BR |
| Nome da instituição (dc.publisher) | Universidade do Vale do Rio dos Sinos | pt_BR |
| País da Instituição (dc.publisher.country) | Brasil | pt_BR |
| Departamento (dc.publisher.department) | Escola Politécnica | pt_BR |
| Sigla da Instituição (dc.publisher.initials) | Unisinos | pt_BR |
| Programa (dc.publisher.program) | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica | pt_BR |
| Direitos de acesso ao documento (dc.rights) | openAccess | pt_BR |
| Assunto (dc.subject) | Teoria construtal | pt_BR |
| Assunto (dc.subject) | Cavidade de tampa deslizante | pt_BR |
| Assunto (dc.subject) | Escoamento convectivo | pt_BR |
| Assunto (dc.subject) | Transferência de calor | pt_BR |
| Assunto (dc.subject) | Convecção mista | pt_BR |
| Assunto (dc.subject) | Constructal theory | en |
| Assunto (dc.subject) | Lid-driven cavity | en |
| Assunto (dc.subject) | Convective flow | en |
| Assunto (dc.subject) | Heat transfer | en |
| Assunto (dc.subject) | Mixed convection | en |
| Tema (CNPq) (dc.subject.cnpq) | ACCNPQ::Engenharias::Engenharia Mecânica | pt_BR |
| Título (dc.title) | Desing construtal aplicado à convecção de calor em cavidades com obstáculos | pt_BR |
| Tipo de arquivo (dc.type) | Tese | pt_BR |
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