Emprego de modelagem computacional na investigação da influência geométrica em cavidade aletada sujeita a convecção de calor por ebulição com base no design construtal
Autor: Gabryell Malcher Freire (Currículo Lattes)
Resumo
Neste trabalho é apresentado um estudo numérico de convecção de calor em escoamento com ebulição. Esse processo ocorre em diversas tecnologias do setor de refrigeração, automobilístico, aeronáutico e naval, como os observados em evaporadores e trocadores de calor do tipo microcanal. Em seu funcionamento, esses equipamentos apresentam escoamentos internos e externos com troca térmica e ocorrência de ebulição e/ou condensação. Nesse sentido, o presente trabalho tem por objetivo o emprego de uma modelagem computacional e do Design Construtal na investigação da influência geométrica da superfície de aquecimento de uma cavidade aletada sobre a convecção de calor com ebulição. O método Volume Of Fluid (VOF) e o modelo de evaporação-condensação de Lee foram utilizados na estimativa das frações de volume de líquido e vapor e nos cálculos da transferência de massa interfacial, respectivamente. As equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia e equação de transporte da fração de volume, foram resolvidas em regime transiente através do Método de Volumes Finitos (MVF), mais precisamente com o software ANSYS-FLUENT. Além disso, para o tratamento da turbulência bifásica foi empregado o modelo k - épsilon padrão. O modelo é validado a partir da comparação do resultado de simulação numérica do presente trabalho frente ao resultado obtido por meio da correlação de Rohsenow do fluxo de calor na ebulição nucleada em piscina. Os resultados da simulação numérica mostraram ter boa concordância com o obtido por correlação mesmo diante da alta complexidade na estimativa do fluxo térmico e apresentaram erros inferiores a 8,0%. Resultados dos campos de fração de volume de vapor e de velocidade mostraram ser concordantes com previsões teóricas apresentadas na literatura mostrando que a modelagem foi adequada ao problema proposto. Foi avaliado a influência da inserção de aletas de pequena altura Hi e comprimento Li na superfície de aquecimento. Os resultados da avaliação geométrica mostraram a forte influência que o valor assumido pela razão Hi/Li e quantidade de aletas N exercem no volume de vapor formado e na taxa de transferência de calor. Além disso, foi possível concluir que o máximo desempenho comum entre os indicadores de performance foi atingido com a razão (H3/L3)o = 2,0 em que três aletas tiveram a maior inserção no interior do reservatório conduzindo a obtenção de taxa de transferência de calor qs máx = 51292,91 [W] superior em 86,5% comparado ao pior caso. Além disso, a razão (H3/L3)o = 2,0 levou a formação de volume de vapor de 13% do volume total do reservatório superior em 49,3% ao pior caso.