Transferencia de calor de un Jet de impacto Presentación Final

1. Transferencia de calor de un Jet de impacto Presentación Final Alumnos: Juan Fernández del Valle Leonardo Henríquez Cancino Máximo León Ganem Curso: ME-717 Profesor: Álvaro Valencia

2. Introducción • Se desarrollará el problema del impacto de un jet de fluido sobre una pared caliente, con el objetivo de extraer el máximo calor. • Se estudiarán diferentes casos, comparando el coeficiente de transferencia de calor en cada caso. • Algunas aplicaciones a estos jets son el Enfriamiento de álabes de turbinas, paredes de calderas, circuitos electrónicos y tratamientos a enfermedades de la piel.

3. Objetivos • Simular el problema del impacto de un Jet plano a través del programa computacional Fluent. • Comparar los resultados con el estudio de un caso particular realizado anteriormente y publicado con el nombre de “Numerical Simulation of Fluid Jet Impingement on a wall”, de Li Yang. • Comparar el caso base con el mismo problema, pero variando el ancho del canal.

4. Objetivos • Presentar el caso del Jet con agua como fluido de trabajo. • Mostrar la influencia del caso de un jet dispuesto con un ángulo de inclinación no perpendicular a la placa. • Emitir comentarios y comparaciones de los resultados entre cada caso.

5. Características del Jet • El Jet sale de una tobera de geometría dada, con una cierta velocidad, y número de Reynolds, suponiéndolo desarrollado antes de salir. • Justo después de la salida, se considera al flujo como un Jet Libre. • Al salir, el Jet impacta directamente a la superficie, después de un recorrido, volviéndose inestable y turbulento.

6. Características del Jet • Una vez que impacta el flujo se considera como flujo sobre una pared. • Como resultado del flujo turbulento, el coeficiente de transferencia de calor (h) aumenta significativamente, siendo mayor en la línea central del jet. • Se considera que el flujo es simétrico, con respecto a la línea central del eje de la tobera respectiva.

7. Aplicaciones • Enfriamiento de álabes de turbina

8. Aplicaciones • Enfriamiento de paredes de caldera en la industria (reducción de contaminantes)

9. Aplicaciones • Tratamientos de enfermedades en la piel que utilizan láser; reducción del daño provocado por el láser sobre la piel.

10. Aplicaciones • Se encuentra en estudio el confinamiento de escalares activos y pasivos (temperatura y humo) mediante Jets de impacto dentro de un túnel. (tema de memoria)

11. Antecedentes • Efectos de la geometría en la transferencia de calor: • Espacio tobera-superficie (se estudia h en función de z/D). • Espacio entre Jets x , y (se estudia h en función de x/D e y/D).

12. Antecedentes • El jet de impacto se puede dividir en tres zonas: zona potencial, zona intermedia y zona de impacto.

13. Formulación Matemática Las ecuaciones que gobiernan el sistema son: • Conservación de masa: • Conservación de momentum: • Conservación de energía:

14. Formulación Matemática Al adecuar las ecuaciones a los volúmenes de control, se tiene las siguientes ecuaciones en su forma integral: • Continuidad • Momentum • Energía

15. Formulación Matemática Discretizando las ecuaciones a los volúmenes de control se obtiene lo siguiente: • Continuidad • Momentum en u

16. Formulación Matemática • Momentum en v • Energía

17. Formulación Matemática • Luego se emplea el método SIMPLEC (versión consistente del método SIMPLE) de corrección de presión para resolverlas. • Este es un método iterativo que a través de valores tentativos y la resolución de las ecuaciones con estos valores, se obtienen correcciones para la velocidad y la presión, hasta obtener una convergencia.

18. Parámetros de Diseño Esquema del jet

19. Parámetros de Diseño • La dimensión H vale 1 cm • La velocidad de entrada es de 1,29 m/s • Se trabajará a presión atmosférica y sin gravedad • Cada elemento de la malla tendrá un área de 4e-4 m2, siendo los elementos de forma cuadrada, por simetría del modelo.

20. Parámetros de Diseño • Fluido: aire • Constantes: densidad = 1,225 kg/m3 Cp = 1006,43 J/kg K K = 0,0242 W/m K Viscocidad = 1,7894e-5 kg/ms

21. Parámetros de Diseño Solver • Tiempo: inestable • Formulación de la inestabilidad: de segundo orden • Espacio: 2D Tiempos a utilizar: t1 = 0,00775 seg (t* =1) t2 = 0,031 seg (t* = 4) t3 = 0,093 seg (t* = 12)

22. Resultados y Comparación con el Artículo t* =1.0 t = 7.75 X 10-3[s]

23. Resultados y Comparación con el Artículo

24. Resultados y Comparación con el Artículo t* =4.0 t = 3.1 X 10-2[s]

25. Resultados y Comparación con el Artículo

26. Resultados y Comparación con el Artículo t* =12.0 t = 9.3 X 10-2[s]

27. Resultados y Comparación con el Artículo

28. Resultados y Comparación con el Artículo • Se puede ver que los resultados en Fluent son muy parecidos a los del autor, programado en MatLab. • La discrepancia está en la malla y espacio de tiempo. • Se obtienen problemas con el flujo reverso en el programa, al acercarse los vórtices a las salidas.

29. Análisis de Resultados • Se estudiaron las siguientes variaciones: • Se cambio el ancho original del canal a 2[cm] y 6[cm]. • Se cambio el fluido original (aire) por agua. • Se cambio el ángulo de la boquilla.

30. Análisis de Resultados • Caso Base • Fluido : Aire. • Ancho del canal : 4 [cm]. • Ángulo de la boquilla : 0º. 4 [cm] 4 [cm] 8 [cm] aire 1 [cm] 1.29 [m/s] 8 [cm] 300 [ºK] 1200 [ºK]

31. Análisis de ResultadosCaso Base • Vectores de velocidad t = 0,08 [s] t = 0,208 [s] t = 0,538 [s] figura figura figura

32. Análisis de ResultadosCaso Base • Contorno de Temperaturas t = 0,08 [s] t = 0,208 [s] t = 0,538 [s] figura figura figura

33. Análisis de ResultadosCaso Base • Coeficientes de Transferencia de Calor t = 0,08 [s] t = 0,208 [s] t = 0,538 [s] figura figura figura

34. Análisis de ResultadosAncho 2 [cm] • Variando el ancho del canal a 2 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

35. Análisis de ResultadosAncho 2 [cm] • Variando el ancho del canal a 2 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

36. Análisis de ResultadosAncho 2 [cm] • Variando el ancho del canal a 2 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

37. Análisis de ResultadosAncho 6 [cm] • Variando el ancho del canal a 6 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

38. Análisis de ResultadosAncho 6 [cm] • Variando el ancho del canal a 6 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

39. Análisis de ResultadosAncho 6 [cm] • Variando el ancho del canal a 6 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

40. Análisis de ResultadosCaso Base con Agua • Vectores de Velocidad t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

41. Análisis de ResultadosCaso Base con Agua • Contornos de Temperaturas t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

42. Análisis de ResultadosCaso Base con Agua • Coeficientes de Transferencia de Calor t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

43. Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 2[cm] • Variando el ancho del canal a 2 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,6 [s] figura figura figura

44. Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 2[cm] • Variando el ancho del canal a 2 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,6 [s] figura figura figura

45. Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 2[cm] • Variando el ancho del canal a 2 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,6 [s] figura figura figura

46. Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 6[cm] • Variando el ancho del canal a 6 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

47. Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 6[cm] • Variando el ancho del canal a 6 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

48. Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 6[cm] • Variando el ancho del canal a 6 [cm] t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

49. Coeficiente de Transferencia de Calor h Variación de la Geometría: Evolución del Máximo de h en Función del Estado de Desarrollo del Jet para un canal inclinado

50. Coeficiente de Transferencia de Calor h Comparación con el estudio preliminar del Jet con un canal horizontal.