Estudo numérico do escoamento de emulsões em convecção natural em cavidades fechadas

Abstract

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.