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Modelagem numérica de fluxos turbulentos parietais de calor em escoamentos incompressíves, (2006)

Autor: Rodrigo Carrijo Lino

Orientador: José Luiz Alves da Fontoura Rodrigues

Resumo
Este trabalho apresenta a modelagem numérica das camadas limites fluidodinâmica e de temperatura, criadas por escoamentos forçados, turbulentos e incompressíveis de ar, sobre placas planas horizontais, tendo como meta a determinação do fluxo de calor que se estabelece entre a placa e o escoamento. Na situação física analisada as camadas limites de velocidade e de temperatura não se iniciam no mesmo ponto da placa, sendo separadas por um comprimento pré-estabelecido. No início da placa a formação de camada limite térmica é inibida pela igualdade entre as temperaturas do escoamento e da placa. A camada limite térmica tem início a partir do ponto em que a temperatura da placa plana se diferencia da temperatura do escoamento. Em todas as situações estudadas a camada limite térmica se desenvolve sobre parede isotérmica. São ensaiadas dez placas que se diferenciam pelo comprimento do trecho adiabático da placa, pela temperatura do trecho aquecido e pela velocidade do escoamento externo. A faixa de variação para os números de Reynolds locais, definidos pelo comprimento longitudinal das placas é definida no intervalo de 5x105< Re< 107. Os baixos números de Mach e as pequenas diferenças de temperatura dos escoamentos analisados permitem que sejam desconsiderados, respectivamente, os efeitos de compressibilidade e de variação das propriedades termodinâmicas do ar. As principais conseqüências destas condições são: desacoplamento entre as camadas limites fluidodinâmica e térmica e o comportamento linear da equação da energia. O objetivo deste trabalho é analisar, de forma qualitativa e quantitativa, o desempenho operacional do código computacional proposto para a modelagem de fluxos turbulentos de calor em escoamentos parietais. O fechamento do sistema de equações médias é obtido com o emprego do modelo k-epsilon para a representação do tensor de Reynolds, sendo a correlação entre as flutuações de velocidade e temperatura que definem o fluxo turbulento de calor, modelada algebricamente a partir de um número de Prandtl turbulento com valor constante. As condições de contorno de velocidade e de temperatura no contorno físico do domínio de cálculo são calculadas, respectivamente, por duas leis de parede de velocidade e duas de temperatura. A discretização temporal é obtida por uma aproximação de primeira ordem baseada em um algoritmo de diferenças finitas do tipo semi-impícito seqüencial com erro de truncamento de primeira ordem, que permite a linearização do sistema de equações a cada passo no tempo. A discretização espacial do domínio de cálculo é obtida com elementos finitos triangulares P1-isoP2. A resolução das equações acopladas de continuidade e quantidade de movimento é feita por uma variante do algoritmo de Uzawa. Os resultados obtidos numericamente são confrontados a soluções analíticas complementadas por correlações empíricas e a dados experimentais

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