Estudio numérico de la convección turbulenta (natural y forzada) en una cavidad rectangular ventilada con generación discreta de calor

Abstract

Tesis de maestría en ciencias de la ingeniería. En este trabajo de tesis se llevó a cabo un estudio numérico de la transferencia de calor turbulenta en una cavidad rectangular bidimensional ventilada con generación discreta de calor. Se utilizó el software de dinámica de fluidos computacional Fluent 6.3 con el modelo de turbulencia kt-t estándar y el intercambio radiativo se resolvió con el método de coordenadas discretas. En la parte de los estudios de validación de los resultados numéricos se obtuvieron resultados para la comparación con los datos experimentales del artículo de Radhakrishnan et al. (2007), los cuales corresponden a una cavidad rectangular ventilada en cuyo interior se encuentra una fuente de calor, obteniéndose una buena concordancia. Los resultados se obtuvieron para una cavidad de 2.5 m de altura y 3.0 m de ancho, con paredes horizontales adiabáticas y paredes verticales isotérmicas, en donde la pared derecha se mantuvo a 35 °C y la pared izquierda a 25 °C. Se permitió la entrada del aire con temperaturas de 15 °C y 25 °C, a velocidades de 0.2, 0.5, 1.0, 1.5 y 2.0 m/s y de acuerdo a tres configuraciones establecidas. Las paredes de la cavidad tomaron tres diferentes valores de emisividad: 0, 0.5 y 1.0. La generación discreta de calor se representó como un ser humano que permanece a una temperatura constante de 34 °C. Se observó que, en general, al incrementarse la velocidad de entrada del aire las temperaturas en el interior de la cavidad disminuyen. La presencia de la fuente de calor en la cavidad favorece la formación de zonas de recirculación en la región izquierda de la cavidad, mismas que incrementan su tamaño al aumentar la velocidad de entrada del aire. Al aumentar la emisividad de las paredes la temperatura del fluido se incrementa, pero el intercambio radiativo no afecta sustancialmente los patrones de flujo dentro de la cavidad ventilada, presentándose las mayores diferencias cuando la velocidad de entrada del aire es de 0.2 m/s, lo mismo aplica para las líneas de calor. La magnitud de la velocidad del fluido se modifica debido al efecto de la radiación; sin embargo, el efecto disminuye al incrementar la velocidad de entrada. Los coeficientes promedio de transferencia de calor en la pared derecha y en la fuente de calor aumentan con la velocidad de entrada del aire y, los casos con una temperatura de entrada de 15 °C presentan mayores coeficientes promedio de transferencia de calor que aquéllos con una temperatura de entrada de 25 °C. Para la cavidad sin generación discreta de calor, la configuración (C) (entrada del aire por la parte inferior de la pared derecha y salida por la parte central del techo) proporciona los mayores coeficientes promedio de transferencia de calor, favoreciendo la remoción de calor de la pared derecha; además esta configuración presenta las menores temperaturas promedio y las mayores eficiencias de distribución de temperatura. Al tomar en cuenta el intercambio radiativo en la cavidad sin generación discreta de calor el coeficiente promedio de transferencia de calor en la pared derecha aumentó considerablemente: entre 40.6% y 99.3% para una temperatura de entrada de 15 °C, y entre 56.3% y 183.2% para una temperatura de entrada de 25 °C. La configuración (A) (entrada del aire por la parte inferior de la pared derecha y salida por la parte superior de la pared izquierda) proporciona una mejor transferencia de calor en el interior de la cavidad con generación discreta de calor, al remover simultáneamente el calor de la pared caliente y de la fuente, presentando las menores temperaturas promedio en el interior de la cavidad y las mayores eficiencias de distribución de temperatura. El intercambio radiativo aumenta considerablemente los coeficientes promedio de transferencia de calor: entre 26.7% y 53.2% para la pared derecha, y entre 27.9% y 85.1% para la fuente de calor, a una temperatura de entrada del aire de 15 °C; y entre 35.8% y 91.0% para la pared derecha, y entre 43.6% y 159.3% para la fuente de calor, a una temperatura de entrada del aire de 25 °C.