Usos de los programas de elemento finito

Información tecnológica
ISSN 0718-0764 versión on-line

Inf. tecnol. v.15 n.4 La Serena 2004
Información Tecnológica-Vol. 15 N°4-2004, págs.: 56-64

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TRANSFERENCIA DE CALOR

Convección Mixta en Cavidades Rectangulares con Entrada y Salida de Fluido
Mixed Convection in Rectangular Cavities with Inlet and Outlet of Fluid
R. Brito*, G.J. Menon y J.B. Dias Univ.Federal de Itajubá, Inst. de Ingeniería Mecánica, Av. BPS N°1303, Pinheirinho, 37500-176 Itajubá, MG-Brasil (e-mail: rogbrito@unifei.edu.br)

Resumen En este trabajo se determina el campo de velocidades, de temperatura, y el número de Nusselt medio (Nuh) en la superficie isotérmica vertical del interior de una cavidad rectangular semiabierta. Las ecuaciones de conservación se resuelven usando elmétodo de elementos finitos. Los resultados numéricos mostraron que cuanto mayor el número de Reynolds o de Grashof, mayores fueron los flujos de transferencia de calor obtenidos para la superficie isotérmica caliente. Para valores bajos de Reynolds (Re), el número de Nusselt (Nuh) obtenido se encontraba muy próximo a los resultados obtenidos del número de Nusselt (Nuh), para el caso de problemasde convección natural en una cavidad rectangular cerrada. Se concluye que a partir de los parámetros térmicos y geométricos estudiados, es posible mejorar el rendimiento del enfriamiento en el interior de la cavidad rectangular semiabierta. Abstract This study determines the velocity and temperature fields as well as the average Nusselt number (Nuh) on a vertical isothermic wall inside a partiallyopen rectangular cavity. The conservation equations are solved

using a finite element method. The numerical results show that the higher the Reynolds and Grashof numbers, the greater is the heat transfer on the isothermal hot wall. For low Reynolds numbers (Re), the Nusselt numbers (Nuh) obtained in the present work were close to those found for natural convection in a rectangular closedcavity. From the thermal and geometric parameters studied, it is concluded that it is possible to improve the efficiency of cooling of the interior of a partially open rectangular cavity . Keywords: mixed convection, rectangular cavities, heat transfer, finite element, Nusselt number

INTRODUCCIÓN El estudio de la convección mixta en cavidades semiabiertas es de interés en varias aplicacionesindustriales, tales como: enfriamiento de centrales termoeléctricas, tanques de almacenamiento de fluidos, enfriamiento de dispositivos electricos y otros. El proceso de convección mixta que ocurre en una cavidad semiabierta, que contiene un fluido que circula por esa cavidad, puede ser analizada como el resultado de dos formas básicas de convección: la convección natural causada por fuerzas de empujey, la convección forzada debido a la circulación del fluido frío que entra en la cavidad con una determinada distribución de velocidades. La convección natural ocurre cuando un fluido se encuentra dentro de un gradiente horizontal de temperatura, bajo la presencia de un campo gravitacional. A causa de los gradientes, es provocada una variación en la densidad, resultando fuerzas de empuje. A partirdel instante que estas fuerzas superan las fuerzas de re-sistencia viscosa del fluido se da, entonces, inicio al proceso de transferencia convectiva de calor. La intensidad de la convección natural es caracterizada por el número de Grashof (Gr). La convección forzada ocurre cuando un fluido está sometido a una cierta distribución de velocidades, forzando de esta forma la transferencia de calorentre el fluido y el equipamiento o dispositivo en cuestión. La intensidad de la convección forzada es caracterizada por el número de Reynolds (Re). Varios son los estudios relacionados con el proceso de convección mixta en cavidades semiabiertas. Algunos de los trabajos mas representativos fueron desarrollados por: Oosthuisen y Paul (1985), Safi y Loc (1994), Calmidi y Mahajan (1998), Angirasa...