Análisis Computacional de Flujo en Canal Abierto con Módulos Generadores de Calor

1. Universidad de Chile Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas Departamento de Ingeniería Mecánica Análisis Computacional de Flujo en Canal Abierto con Módulos Generadores de Calor Profesor: Álvaro Valencia Alumnos: David Azocar Paredes Rodrigo Reyes Tapia ME717 SEMESTRE OTOÑO 2004

2. Literatura

3. COMPUTATIONAL ANALYSIS OF TURBULENT FLUID FLOW AND HEAT TRANSFER OVER AN ARRAY OF HEATED MODULES USING TURBULENCE MODELS

5. Resultados

6. Formulación del Problema

7. Geometría del Problema

8. Geometría del Problema • Parametros del canal: • Altura del canal: H=10 cm • Largo del canal: Lt=80 cm • Largo de entrada: Le=8 cm • Separación de módulos: S1=7 S2=12 S3=12 S4= 7 cm • Alto del módulo: L/B=1, 0.75, 3 (B=3 fijo) • Calor generado: qj= 80

9. Ecuaciones • Ecuación de Continuidad: • Ecuación de N-S según X: • Ecuación de N-S según Y: • Ecuación de Energía:

10. Variables Adimensionales

11. Definición del Caso

12. Casos Estudiados • Caso 0: v=0.1 y L/B=1.5 • Caso 1: v=1 y L/B=1.5 • Caso 2: v=3 y L/B=1.5 • Caso 3: v=10 y L/B=1.5 • Caso 4: v=10 y L/B=0.75 • Caso 5: v=10 y L/B=3

13. Método Numérico

14. Volúmenes Finitos • El dominio de cálculo es dividido en volúmenes de control disjuntos. Cada uno rodea un nodo de la red.  • Para obtener la ecuación discretizada se integra la ecuación diferencial sobre cada VC. De esta manera la ED cumple el principio de conservación en un volumen finito, tal como la ec. diferencial lo cumple en un volumen infinitesimal.

15. Volúmenes Finitos • P: punto genérico • E, W: puntos vecinos este y oeste. • Dx= ancho del VC. • e, w, caras del volumen de control, que rodea al punto genérico

16. Discretización de Ecuación • La ecuación: se integra, obteniendo una ecuación de la forma: • Luego se discretiza, para obtener:

17. Interpolación • Diferencias Centrales • Aguas Arriba • Esquema Exponencial • Híbrido • Ley de Potencia

18. Ley de Potencia Este esquema se basa en interpolar “ T”, mediante unaaproximación del esquema exponencial. Dicha aproximación se logra reemplazando la curvasolución del esquema exponencial, por dos rectas y dos polinomios de quinto orden

19. Algoritmo SIMPLEC • 1.-Considerando el campo inicial de velocidades, se calculan los coeficientes de la ecuación de movimiento y luego se calculan las seudo-velocidades a partir de las ecuaciones de movimiento sin gradiente de presión. • 2.-Con las seudo-velocidades se resuelve el campo de presiones usando la ecuación de continuidad. Con el campo de presiones obtenido se resuelven las ecuaciones de movimiento para determinar un nuevo campo de velocidad. • 3.-Con el nuevo campo de velocidades, se resuelve nuevamente la ecuación de continuidad apara determinar el campo de correcciones de presión. • 4.-A partir de las correcciones de presión, se corrige el campo de velocidades, obteniendo parámetros finales para ocupar en la ecuación de energía. • 5.-Con estos datos se resuelve la ecuación de energía y se obtiene el campo de temperatura. • 6.-Luego se determina si el número de Nusselt converge o no. Si el resultado de la iteración no converge a una cota requerida, el ciclo se repite desde el cálculo de los coeficientes de la ecuación de movimiento. • 7.-Luego de lograr la convergencia, se incrementa el tiempo y se aplican de nuevo los pasos anteriores para obtener los campos de velocidad y temperatura en un nuevo instante de tiempo.

20. Resultados

21. Velocidades

22. Caso 0

23. Caso 1

24. Caso 2

25. Caso 3

26. Caso 4

27. Caso 5

28. Isotermas

29. Caso 0

30. Caso 1

31. Caso 2

32. Caso 3

33. Caso 4

34. Caso 5

35. Nusselt

36. Caso 0

37. Caso 1

38. Caso 2

39. Caso 3

40. Caso 4

41. Caso 5

42. Comparación con Literatura

43. Líneas de flujo obtenidas en la bibliografía

44. Coeficiente de caída de presión

45. Coeficientes de caída de presión obtenidos en la bibliografía

46. Conclusiones

47. El caso laminar presenta la mayor variación del Nusselt del primer modulo con respecto a los siguientes. • Los casos turbulentos presentan Nusselt casi constante en los módulos. • Al aumentar la altura de los módulos se generan mas turbulencias • Con esto, la transferencia de calor aumenta.