Simulação Computacional da Transmissão de Calor em Escoamentos Laminares em Torno de um Cilindro

Abstract

Neste trabalho é alcançada uma coleção de curvas de distribuição do Número de Nusselt em torno de um cilindro, para um escoamento não confinado. Além da falta de valores na literatura, os que existem não se confirmam entre si. Inclusive, existem casos que se desviam dos valores experimentais. Foi descoberta a razão, sendo justificado que para uma comparação válida, os casos necessitam de possuir domínios computacionais semelhantes, respeitar o mesmo Número de Reynolds e Número de Prandtl e adotar as mesmas condições de fronteira. É assinalada a possível inexistência de correlações empíricas para o caso de condições de fronteira de Neumann. Com este conhecimento, são desenvolvidos três domínios computacionais. Todos eles visam colmatar alguma crítica feita a domínios em trabalhos à data publicados. A validação é feita com base na comparação da distribuição de coeficiente de pressão em torno do cilindro e valores de coeficiente de fricção e coeficiente de arrasto. Posteriormente, com base nesta validação, é feita uma decisão sobre qual o mais robusto para cada metodologia usada. São obtidas as curvas de distribuição do Número de Nusselt para um Número de Reynolds igual a 10, 20, 40 e 100, tanto um Número de Prandtl igual a 6,14 como para 5,42 e para as condições de fronteira de Dirichlet e de Neumann. São também obtidos todos os valores de médios do Número de Nusselt em torno do cilindro. Todas as decisões no pré-processamento são esclarecidas e justificadas.

In this work, a collection of distribution curves of the Nusselt Number around a cylinder is achieved, for an unconfined flow. In addition to the lack of values in the literature, those that do exist do not agree with each other. There are even cases where they deviate from the experimental values. The reason for this was discovered and it was explained that for a valid comparison, the cases need to have similar computational domains, respect the same Reynolds Number and Prandtl Number and adopt the same boundary conditions. The possible lack of empirical correlations for the case of Neumann boundary conditions is pointed out. With this knowledge, three computational domains are developed. All of them aim to remedy some of the criticisms made of the domains in previously published work. Validation is based on a comparison of the pressure coefficient distribution around the cylinder and values of the friction coefficient and drag coefficient. Subsequently, based on this validation, a decision is made as to which is the most robust for each methodology used. Nusselt number distribution curves are obtained for Reynolds numbers of 10, 20, 40 and 100, for Prandtl numbers of 6.14 and 5.42 and for Dirichlet and Neumann boundary conditions. All the average values of the Nusselt Number around the cylinder are also obtained. All pre-processing decisions are explained and justified.