Estudo numérico de um arranjo triangular de cilindros submetidos a escoamento laminar com convecção forçada

Suelem Grellert da Fonseca, Felipe Rodrigues Cardoso, Andre Luiz Razera, Liércio André Isoldi, Anderson Favero Porte, Luiz Alberto Oliveira Rocha, Elizaldo Domingues dos Santos, Marcelo Moraes Galarça

Resumo


O presente trabalho numérico estuda a transferência de calor por convecção forçada em um arranjo triangular de cilindros considerando um escoamento em regime laminar, bidimensional, incompressível, e transiente. A solução numérica (conservação de massa, quantidade de movimento e energia) foi obtida a partir de um código computacional baseado no método dos volumes finitos (FVM – Finite Volume Method). Para a otimização geométrica do arranjo de cilindros é empregado o Método Constructal Design. As simulações foram realizadas para escoamentos com números de Reynolds e Prandtl de ReD= 100 e Pr = 0.71. A otimização parte da avaliação de qual razão ST/D (passo transversal sobre o diâmetro) e SL/D (passo longitudinal sobre o diâmetro) que minimiza o coeficiente de arrasto e maximiza a taxa de transferência de calor (número de Nusselt) entre os cilindros e o escoamento circundante. Os resultados mostraram que o comportamento fluidodinâmico e térmico foram bastante influenciados pelas razões ST/D e SL/D. O coeficiente de arrasto (CD) mínimo foi encontrado para a configuração SL/D = 5.0 e ST/D = 1.5, e o máximo número de Nusselt (NuD) foi obtido para SL/D = 1.5 e ST/D = 5.5. Entretanto, os melhores arranjos considerando a função multi-objetivo (arrasto e transferência de calor) foram alcançados em uma região ótima e não para uma configuração específica. Dentre os casos analisados se destacaram as configurações SL/D = 5.0 e ST/D = 2.0 e SL/D = 5.0 e ST/D = 2.5, sendo que os dois primeiros valores trouxeram benefícios para o problema fluidodinâmico e os dois últimos valores apresentaram uma leve vantagem do ponto de vista térmico.

Palavras-chave


Otimização geométrica, coeficiente de arrasto, número de Nusselt, Constructal Design.

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DOI: http://dx.doi.org/10.14808/sci.plena.2015.081324

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