Flujo Turbulento y Transferencia de Calor en un Canal con dos Obstáculos Alineados AXIALMENTE

Flujo Turbulento y Transferencia de Calor en un Canal con dos Obstáculos Alineados

AXIALMENTE

Jaime A. Alvarez Marín.

Profesor Guía : Sr. Alvaro Valencia M.Profesor Guía : Sr. Alvaro Valencia M.

Profesor Co-Guía : Sr. Ramón FrederickProfesor Co-Guía : Sr. Ramón Frederick

Profesor Integrante:Profesor Integrante: Sr. Juan Carlos Elicer.Sr. Juan Carlos Elicer.

EXAMEN DE GRADO 1 EXAMEN DE GRADO 1 /20 /20 ..

Universidad de ChileFacultad de Ciencias Físicas y Matemáticas

Departamento Ingeniería Mecánica

c = dReH = 10000

Gc Variable

Presentación del Problema

Flujo de Aire

Tp = 2Too > 0C

EXAMEN DE GRADO 2/20EXAMEN DE GRADO 2/20

Objetivos:

– General Realizar la Simulación Numérica Bidimensional de un Flujo

Turbulento al Interior de un Canal con dos Barras Alineadas

– Específicos: Estudiar el Efecto de la Separación Entre los Obstáculos

Sobre los Parámetros del Flujo Turbulento. Estimar la Transferencia de Calor y la Pérdida de Carga al

Interior del Canal.


Metodología Utilizada

• Se Revisó y Analizó la Literatura.• Se Estudió el Modelo k-.• Se Modificó un Programa Numérico Existente, Basado en el

Método de los Volúmenes de Control.• Se Desarrolló un Programa para la Evaluación de

Resultados.• Se Definieron los Casos que se han Estudiados.• Se Definió la Malla y el Espacio Tiempo. • Se Validó el Método Utilizado Comparando con la Literatura• Se Ejecutó el Programa Numérico Modificado • Se Analizaron los Resultados.


Modelo k- Ecuaciones de Balance (masa, momentum y energía) Descomposición de Reynolds Modelo k-:

22 'v'u2

1k

2

t

kC


0y

)v(

x

)u(

Gy

k

yx

k

xy

kv

x

ku

t

k

k

t

k

t

kCG

kC

yyxxyv

xu

t 21

tt

x

k

3

2

y

u

x

v)(

yx

u)(

x2

x

p1

y

uu

x

uu

t

utt

y

T

PrPryx

T

PrPrxy

Tv

x

Tu

t

T

t

t

t

t

Definición de la Geometría y los Casos

Mejor desempeño para d=0.152H, Valencia (1999)Mejor desempeño para Gc=10d, Tsia y Hwang (1998)Desprendimiento de vórtices a partir de Gc=2,27d, Tatsutani et

al. (1992)A 10d de la Entrada del Canal, Bosch y Rodi (1996)Casos: Canal sin Obstáculos, Gc=0d, Gc=10d, Gc=8.875d,

Gc=7.75d, Gc=6.665d, Gc=5.5d.


Definición de la MallaSe escogió una malla de 625x125

volúmenes de control, ya que:

Se estudió la dependencia de los resultados con la malla para C S/O y Gc=0d, para cinco mallas distintas

Para C S/O, se cometen errores menores que 1% en todos los parámetros, entre la malla más fina y la malla escogida

Para Gc=0d, errores menores que 2.7% e incremento en el tiempo Computacional en más de 96%, entre la malla más fina y la escogida


0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

8 10 12 14 16 18 20 22 24

Número de Nodos que definen la Cara Frontal del Obstáculos

Tie

mp

o C

om

pu

tac

ion

al

[mim

]

Validación del Método

Se simuló un caso similar al reportado por Nakagawa et al. (1999) con la malla 625x125.

Geometría Nakagawa et al. (1999):

L=10H; A=0.6H; d=0.2H; Re=15000; Flujo de calor cte. en la pared

Geometría Caso Simulado:

L=5H; A=0.6H; d=0.2H; Re=15000; Flujo de calor cte. en la pared


0 1 2 3 4 5

x/H

50

100

150

200

Nu

Nakagawa et al. (1999)

Investigación Actual

Resultados Campo de K (energía cinética turbulenta), en cuatro cuartos de un periodo de desprendimiento de vórtices


Resultados Campo de K (energía cinética turbulenta), en cuatro cuartos de un periodo de desprendimiento de vórtices


t/T=1/4 t/T=2/4

t/T=1/4 t/T=2/4

t/T=3/4 t/T=4/4

Resultados Campo de velocidades, en t/T=1/4


ResultadosPromedio Temporal de la Velocidad Horizontal (U) Sobre el Eje de Simetría del Canal.


ResultadosCoeficiente de Fricción (Cf) alrededor del segundo obstáculo.


ResultadosEXAMEN DE GRADO 14/20EXAMEN DE GRADO 14/20

Coeficiente de Fricción (Cf) Local a lo Largo de la Pared Inferior.


Número de Nusselt (Nu) local a lo largo de la pared inferior.


Coeficiente de arrastre(Cd) sobre los obstáculos.


Amplitud del Coeficiente de sustentación (ACl) sobre los obstáculos.


Aumento del Factor de fricción (f) respecto del factor de fricción (fo) del canal sin obstáculos.


Aumento del Número de Nusselt (Nu) respecto del Número de Nusselt (Nuo) del canal sin obstáculos.

Conclusiones

El segundo obstáculo actúa como amplificador de los vórtices desprendidos desde el primer obstáculo.

El largo de la zona de recirculación del segundo obstáculo es menor que la del primero y es creciente con Gc.

El coeficiente de fricción sobre las paredes crece linealmente con Gc. El coeficiente de arrastre y la amplitud del coeficiente de sustentación

sobre el primer obstáculo no dependen de Gc. El coeficiente de arrastre y la amplitud del coeficiente de sustentación

sobre el segundo obstáculo son crecientes con Gc. El factor de fricción es creciente con Gc El número de Nusselt presenta un máximo dentro del rango de Gc

estudiado La presencia de un obstáculo perturba el flujo 4d aguas arriba


Universidad de ChileFacultad de Ciencias Físicas y Matemáticas

Departamento Ingeniería Mecánica

INFORME DE AVANCE ME-69FINFORME DE AVANCE ME-69F

Estudio del Flujo Turbulento y la Transferencia de Calor, en un Canal con dos Obstáculos Alineados Horizontalmente de

Separación VariableJaime A. Alvarez Marín.

Profesor Guía : Sr. Alvaro Valencia M.Profesor Guía : Sr. Alvaro Valencia M.

Profesor Co-Guía : Sr. Ramón FrederickProfesor Co-Guía : Sr. Ramón Frederick

ResultadosParámetros Globales promedio

INFORME FINAL ME-69FINFORME FINAL ME-69F

Gc 1000xCf Cd1 Cd2 1000xf Nu St

C S/O 14.33 --- --- 21.10 54.91 ---

0d 16.88 1.85 --- 51.35 58.86 1,10

3.25d 17.70 1.79 0.16 54.39 59.36 1,04

5.5d 18.08 1.84 1.25 73.61 60.88 1,07

6.665d 18.26 1.85 1.48 78.24 61.08 1,08

7.75d 18.38 1.85 1.59 80.58 61.09 1,09

8.875d 18.48 1.84 1.64 82.37 61.04 1,09

10d 18.55 1.85 1.70 83.93 60.99 1,10

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