Líneas de Calor: Visualización y Análisis en Problemas de Transferencia de Calor por Convección en Cavidades Rectangulares

Student thesis: Master's Thesis

Abstract

En este trabajo se realizó el análisis de la transferencia de calor por convección natural, forzada y mixta en cavidades rectangulares en régimen de flujo laminar y turbulento, desde la perspectiva de las herramientas de visualización llamadas líneas de calor. En el estudio se consideró convección natural en una cavidad cerrada, y por otro lado, una cavidad ventilada en la cual se presenta a) convección natural, b) convección mixta y c) convección forzada. El objetivo de este trabajo fue analizar e interpretar los resultados de la transferencia de calor convectiva en régimen de flujo turbulento empleando el concepto de Líneas de calor. Para cada problema, se presentaron los modelos físicos, que en general consistieron de una cavidad cuadrada calentada diferencialmente (T=12 oC) con aire en su interior y con paredes superior e inferior aisladas. Para el caso de convección natural en la cavidad cerrada, se utilizó un intervalo de 10^3<Ra<10^6 para el caso de flujo en régimen laminar; Ra=10^7 y 10^8 para el régimen de transición; y 10^9<Ra<10^12 para el régimen de flujo turbulento. En cuanto al problema de la cavidad ventilada, se utilizaron como parámetros al número de Ra y de Ri, para el caso de régimen laminar, el intervalo fue de 10^3<Ra<10^6; y de 10^9<Ra<10^11para el caso de régimen de flujo turbulento. Los valores del Ri fueron de 0.1, 1.0 y 10.0, para contemplar los distintos tipos de convección. Por otro lado, los modelos matemáticos que se emplearon fueron basados en las ecuaciones de conservación de masa, cantidad de movimiento y de energía en términos de temperatura que, debido a su complejidad, fueron resueltos mediante la alternativa numérica. En consecuencia, se desarrolló un código numérico basado en el método de volumen finito para resolver el caso laminar de cada problema. Posteriormente, se elaboró la subrutina que sirvió para determinar a las líneas de calor. Este código se verificó con estudios reportados en la literatura científica, encontrándose correspondencia con estos y con una máxima diferencia de 5.1%. De esta manera, fue factible aseverar que tanto el código numérico desarrollado como la subrutina para determinar a las líneas de calor proporcionan resultados satisfactorios. Una vez hecho esto, se modificó la subrutina del cálculo de las líneas de calor para acoplarla a los códigos de flujo turbulento y así, realizar el estudio en este régimen de flujo. Con base en los resultados, se concluyó que las líneas de calor son una herramienta de visualización idónea en cuanto al análisis de la transferencia de calor por convección, ya que permiten analizar fenómenos predominantemente difusivos así como fenómenos altamente advectivos en una sola ilustración, reduciendo de esta manera, el trabajo al interpretar los resultados mediante isotermas y líneas de corriente.
Date of Award17 Dec 2010
Original languageSpanish (Mexico)
Awarding Institution
  • Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico. CENIDET-TecNM-SEP. Prol. Av. Palmira S/N. Col. Palmira. Cuernavaca
SupervisorJ. Xamán (Director) & G. Álvarez (Co-Director)

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