Details

Estudio numérico y experimental de flujo Rayleigh-Bénard en cavidades cúbicas para régimen transitorio y turbulento

by Valencia Merizalde, Leonardo

Abstract (Summary)
RESUMEN El presente trabajo estudia la convección Rayleigh-Bénard en cavidades cúbicas sin inclinación con respecto a la horizontal y calentadas por debajo para números de Rayleigh tanto dentro del estado estacionario como dentro del régimen turbulento. Inicialmente se estudian los efectos que tiene la variación de las propiedades físicas con la temperatura sobre la estructura de flujo, el mecanismo de transporte y la transferencia de calor para dos números de Rayleigh bajos (Ra=104 y Ra=5×104) en los que el flujo es laminar y estacionario y para un Rayleigh dentro del régimen turbulento (Ra=107). Para este estudio numérico se utilizó agua como fluido convectivo (Pr=5.9) y se supuso que las paredes laterales de la cavidad eran perfectamente conductoras. De acuerdo con Gray y Giorgini (1976) la aproximación de Boussinesq debe aplicarse para diferencias menores al 10% en las propiedades físicas del fluido. De acuerdo con este criterio, para agua a T0=26ºC las variaciones de temperatura máximas permitidas para poder aplicar la aproximación de Boussinesq serían ?T ? 2.9ºC para el coeficiente de expansión térmica, ?T ? 4.5ºC para la viscosidad. Los cálculos sin la aproximación de Boussinesq llevados a cabo en el presente trabajo fueron calculados con una diferencia de temperaturas de 17.5ºC entre placas fría y caliente (6 veces mayor que el limite para la propiedad física más crítica) y por tanto los presentes resultados pueden ser considerados fuera de la aproximación de Boussinesq. En estas condiciones las variaciones del coeficiente de expansión térmica y de la viscosidad entre las paredes caliente y fría respecto al valor evaluado a la temperatura media, son del 62% y 40%, respectivamente, siendo el fluido cerca a la pared fría más viscoso y con menor coeficiente de expansión. Posteriormente se han identificado numéricamente las estructuras de flujo promedio temporal para cinco números de Rayleigh dentro del régimen turbulento (para el rango 107?Ra?108). Debido a la similitud de cuatro de estas estructuras (para Ra>3×107) sólo dos de ellas fueron verificadas experimentalmente (Ra=7×107 y Ra=108) además de la estructura encontrada a Ra=107. Para los cálculos se asumió la aproximación de Boussinesq debido a que las diferencias de temperatura en la experimentación eran suficientemente bajas como para considerar propiedades físicas constantes de acuerdo con los resultados obtenidos en el análisis anterior. Con el fin de reproducir al máximo las condiciones experimentales, los resultados numéricos fueron obtenidos teniendo presente la conductividad térmica del vidrio de las paredes laterales. La visualización de las estructuras de flujo y la medición de los campos de velocidad en el plano vertical medio de la cavidad se realizó con el método PIV (de Particle Image Velocimetry). Estos resultados nos permitieron validar los resultados obtenidos con las simulaciones, comparándose tanto las topologías del flujo como los valores de velocidad puntuales en perfiles dentro del plano analizado. De los resultados numéricos se encontró que aun con porcentajes de variación de las propiedades físicas del fluido entre las paredes fría y caliente muy por encima del criterio normalmente utilizado (10%) tanto en régimen laminar como turbulento, las estructuras de flujo y las condiciones de transporte de calor, no se ven afectadas considerablemente por esta variación. Esto es debido principalmente a que los gradientes de temperatura mas altos están localizados dentro de la delgada límite térmica cerca de las paredes y por tanto la variación de las propiedades físicas con la temperatura solo es significativa en esta zona. En los resultados numéricos a régimen turbulento para números de Rayleigh en el rango 3×107?Ra?108 se observa que la estructura cambia de dirección a través del cambio de orientación del eje de rotación de la estructura permaneciendo períodos de tiempo indefinidos en una posición determinada. Los resultados experimentales para Ra=7×107 y Ra=108, no presentan este cambio de orientación en la estructura. Se observa que la estructura de flujo no cambia de posición en el tiempo conservando la misma orientación durante todo el tiempo de muestreo. La diferencia entre resultados numéricos y experimentales puede atribuirse a las inevitables imperfecciones en las condiciones de contorno de los experimentos, especialmente en la distribución de temperaturas en las paredes de la cavidad, o bien a la pequeña pero también inevitable desviación de la cavidad respecto la perfecta horizontalidad. Estos efectos pueden ser los causantes de la inhibición del cambio de orientación de la estructura observado en las simulaciones numéricas con condiciones de contorno ideales y llevadas a cabo suponiendo una perfecta horizontalidad de la cavidad. Sin embargo, es importante resaltar que las estructuras de flujo medias y los contornos de la desviación estándar de la velocidad vertical obtenidos experimentalmente son cualitativamente similares a aquellos obtenidos numéricamente para un periodo de tiempo en el cual la estructura media permanece en la misma posición, indicando que la estructura de flujo experimental corresponde a una determinada orientación de la estructura obtenida numéricamente. Por otro lado las estructuras de flujo promedio temporal y los valores de velocidad obtenidos numéricamente concuerdan significativamente con las correspondientes medidas experimentales para los números de Rayleigh analizados.
This document abstract is also available in English.
Bibliographical Information:

Advisor:Cuesta Romeo, Ildefonso; Pallarés, Jordi

School:Universitat Rovira i Virgili

School Location:Spain

Source Type:Master's Thesis

Keywords:departament d enginyeria química

ISBN:

Date of Publication:09/30/2005

© 2009 OpenThesis.org. All Rights Reserved.