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

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.