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Título: Estudo numérico do escoamento de emulsões em convecção natural em cavidades fechadas
Autor(es): Bigonha, Roberto Bittar
Orientador(es): Oliveira, Taygoara Felamingo de
Coorientador(es): Bugarin, Isadora Montenegro
Assunto: Calor - convecção
Escoamento (Engenharia)
Data de apresentação: 9-Nov-2021
Data de publicação: 12-Nov-2024
Referência: BIGONHA, Roberto Bittar. Estudo numérico do escoamento de emulsões em convecção natural em cavidades fechadas. 2021. 61 f., il. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) — Universidade de Brasília, Brasília, 2021.
Resumo: O presente trabalho propõe o estudo numérico da transferência de calor por convecção de emulsões em uma cavidade quadrada. O interesse nesse tipo de escoamento é justificado pela possibilidade de aplicação em diversas indústrias. Na realização desse projeto, fez-se uma revisão bibliográfica e apresentaram-se os métodos para a resolução das equações governantes, utilizando o método de Crank-Nicolson para evolução temporal e o método de projeção para evolução espacial. Procurou- se validar o código utilizado por meio da comparação com o clássico caso da cavidade com tampa cisalhante. Após a verificação de concordância dos resultados obtidos com os encontrados na literatura, pôde-se, a partir da implementação do método Level Set, inserir uma gota na cavidade, transformando o escoamento em multifásico. Observou-se a gota no caso do escoamento da cavidade em cisalhamento simples, e concluiu-se que o comportamento ocorreu de acordo com o esperado. Depois disso, foi implementada a equação da energia e fizeram-se as modificações necessárias nas equações governantes para tornar possível o estudo do fenômeno de convecção natural na cavidade com emulsão. A trajetória da gota para diferentes números de Rayleigh e de Prandtl foi observada, mostrando que, conforme o número de Rayleigh aumenta, maior é o caminho percorrido pela gota dentro da cavidade. Depois, observou-se o efeito da variação das propriedades térmicas da gota em sua trajetória. Para Ra = 103, as trajetórias observadas apresentaram comportamento similar, com o regime estacionário sendo alcançado mais rapidamente quando a condutividade térmica da gota é maior. Já para Ra = 104, atingiu-se rapidamente o regime estacionário quando o calor específico da gota foi maior. Por último, analisou-se o efeito do número de capilaridade na trajetória da gota para três valores diferentes. Variando-se as propriedades térmicas em três configurações de valores, observou-se que, conforme a capilaridade aumenta, mais a gota se aproximou do centro da cavidade. Além disso, apenas no caso em que as propriedades térmicas possuem razão unitária foi observado um aumento no número de Nusselt com o aumento da capilaridade.
Abstract: The present work proposes the numerical study of convective heat transfer of emulsions in square cavities. The interest in this type of flow is justified by the possibility of application in several industries. At first, a literature review was performed and the methods for solving the governing equations were presented, using the Crank-Nicolson method for temporal evolution and the projec- tion method for spatial evolution. It was sought to validate the code used through comparison with the classical case of the lid-driven cavity. After checking the agreement of the results obtained with those found in the literature, it was possible, from the implementation of the Level Set method, to insert a drop in the cavity, transforming the flow into multiphase. The drop was observed in the case of the cavity flow in simple shear, and it was concluded that the behavior occurred as expected. After that, the energy equation was implemented and the necessary modifications were made to the governing equations to make it possible to study the natural convection phenomenon in the cavity with emulsion. The trajectory of the droplet for different Rayleigh and Prandtl num- bers was observed, showing that as the Rayleigh number increases, the longer is the path taken by the droplet inside the cavity. Then, the effect of varying the thermal properties of the droplet on its trajectory was observed. For Ra = 103, the observed trajectories showed similar behavior, with the steady state being reached faster when the thermal conductivity of the droplet is higher. For Ra = 104, the steady state was quickly reached when the specific heat of the droplet was higher. Finally, the effect of capillary number on the droplet trajectory for three different values was analyzed. By varying the thermal properties in three settings of values, it was observed that as the capillarity increased, the closer the droplet came to the center of the cavity. Furthermore, only in the case where the thermal properties have unit ratio was an increase in Nusselt number observed with increasing capillarity.
Informações adicionais: Trabalho de Conclusão de Curso (graduação) — Universidade de Brasília, Faculdade de Tecnologia, Departamento de Engenharia Mecânica, 2021.
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