Otimização geométrica de um arranjo triangular de cilindros submetido a escoamento laminar com convecção forçada

Marcelo Moraes Galarça, Felipe Rodrigues Cardoso, André Luis Razera, Ivoni Carlos Acunha Jr., Liércio André Isoldi, Anderson Favero Porte, Luiz Alberto de Oliveira Rocha, Elizaldo Domingues dos Santos

Resumo


O presente trabalho numérico estuda o arranjo triangular de cilindros submetidos a escoamentos transientes, bi-dimensionais, incompressíveis, laminares e com convecção forçada por meios do método Constructal Design. As simulações foram realizadas para escoamentos com números de Reynolds e Prandtl de ReD = 100 e Pr = 0.71. As equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia foram resolvidas com o uso do método de volumes finitos (FVM – do inglês: Finite Volume Method). A área ocupada pelos três cilindros é uma restrição geométrica do problema, enquanto as razões ST/D (passo transversal sobre o diâmetro) e SL/D (passo longitudinal sobre o diâmetro) são os graus de liberdade. Vale destacar que os diâmetros dos três cilindros são iguais em todos os casos. O principal objetivo aqui é avaliar qual razão ST/D minimiza o coeficiente de arrasto e maximiza a taxa de transferência de calor (número de Nusselt) entre os cilindros e o escoamento circundante, i.e., um problema multiobjetivo. Em todos os casos foi considerada uma razão SL/D = 3.5. Os resultados mostraram que o comportamento fluidodinâmico e térmico foi bastante influenciado pela razão ST/D. O coeficiente de arrasto (CD) mínimo e o máximo número de Nusselt (NuD) são obtidos para ST/D = 1.5 e 5.5, respectivamente. Contudo, os melhores arranjos considerando a função multiobjetivo (arrasto e transferência de calor) foram alcançados na região ST/D ~ 2.0, mais próximo do ótimo obtido para o problema fluidodinâmico, ao contrário do observado para um caso de par de cilindros abordado na literatura.

Palavras-chave


Otimização geométrica, coeficiente de arrasto, número de Nusselt, problema multi-objetivo, Constructal Design.

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