Estudio de la Transferencia de Calor en una Región Cúbica con un Bloque Adherido en la Pared Caliente

Abstract

Se han imaginado muchas formas de aumentar la transferencia de calor en cavidades diferencialmente calentadas. Una de ellas es añadir aletas a las paredes activas de la cavidad. Muchos trabajos numéricos bidimensionales han considerado aletas horizontales adheridas a las paredes caliente o fría. Estudios tridimensionales muestran aumentos de transferencia de calor mucho más pronunciados que los bidimensionales. En esta tesis se estudió el aumento de la transferencia de calor en un recinto cúbico lleno de aire, mediante la colocación de un bloque paralelepípedo horizontal de sección cuadrada centrado en la pared vertical caliente. En base a estudios anteriores se elige un régimen netamente convectivo, con números de Rayleigh de 105 y 106 , y se asigna al bloque una alta conductividad térmica. La razón entre las conductividades térmicas del sólido y el fluido es de 1000. Se varían dos parámetros geométricos: longitud y lado de la sección transversal del bloque. El sistema de ecuaciones de Navier-Stokes, continuidad y energía, acoplado con la ecuación de la energía para el sólido se resuelve mediante el método de volúmenes finitos. A pequeñas dimensiones del bloque se establece un régimen regular, en que una circulación barre la pared fría, las caras del cuerpo y la pared caliente. Si los lados de la cara frontal son de dimensiones similares al lado de la cavidad, el comportamiento del flujo se asemeja al de una cavidad estrecha, lo cual se acentúa cuando el bloque es largo, con su cara frontal próxima a la pared fría. Dado que se restringe el flujo en la región frontal del bloque, la distribución de temperatura pierde las características convectivas y se establece un régimen conductivo (denominado singular), en el cual la transferencia de calor aumenta a medida que la cara frontal se acerca a la pared fría. En los casos regulares predomina la convección. Dado el carácter prácticamente isotermo de la superficie añadida, la transferencia de calor es mayor que en el caso sin divisores. Al aumentar el largo y el lado del bloque crece la transferencia de calor total debido al aumento del área de transferencia de calor disponible. Se llega a un máximo de transferencia de calor para lados de la sección transversal de 0.65 y 0.75 veces el lado de la cavidad a los dos números de Rayleigh estudiados, y en las condiciones más favorables alcanza un 60% de aumento con respecto a la cavidad sin divisor. A lados mayores, comienza a ser crítico el efecto de bloqueo del flujo por el sólido, que restringe el barrido de las caras del bloque, especialmente la superior. Los aumentos de transferencia de calor obtenidos en esta tesis son los mayores encontrados hasta ahora en cavidades de razón de aspecto unitaria.