En este trabajo de investigación se utilizó un sistema óptico Schlieren para visualizar el fenómeno de transferencia de calor por convección en un sistema en el cual el gradiente de temperatura se encuentra entre los 273.15 K y la temperatura de calentamiento del aire alrededor de una punta caliente (356.45 K); esta aplicación resulta ser novedosa en comparación con las aplicaciones que comúnmente se le da a esta técnica, en las que se observan procesos de combustión de amas. Con este estudio se corrobora que la técnica de Schlieren resulta idónea para observar fenómenos donde el gradiente de temperatura es pequeño y donde se tiene un flujo de calor debido a la transferencia de calor por convección en áreas reducidas, por lo cual es recomendable en la medición de la temperatura y flujo de calor en dispositivos semiconductores. A partir de la información obtenida experimentalmente se modeló numéricamente el fenómeno de transferencia de calor por convección. En esta etapa de simulación, se aplicó la dinámica de fluidos computacional (CFD por sus siglas en inglés) con el método de volumen finito. Las simulaciones numéricas obtenidos fueron comparadas y validadas con los resultados experimentales. Los sistemas utilizados para la visualización de flujo de calor estaban conformados por 1) la superficie de enfriamiento de una celda Peltier con los alrededores y 2) esta misma superficie de enfriamiento y la punta caliente de un cautín. Este segundo sistema se utilizó para obtener una variación no homogénea en el flujo de calor. Los elementos del sistema óptico experimental son una fuente de luz LED blanca, un relevador reflectivo óptico tipo Z, una navaja, un sistema de adquisición de imágenes conformado por una cámara RGB CMOS (con tres capas de detección: roja, verde y azul) y componentes optomecánicas. Se diseño un programa para el análisis de los videos obtenidos con el fenómeno de flujo de convección. Para obtener los gradientes de temperatura del fenómeno bajo estudio y su evolución temporal se realizó la integración numérica y el desenvolvimiento de fase. Después, se analizó cada capa de detección, procesando los datos que entregan mayor información. Es importante notar que la capa roja de la cámara presenta un mejor contraste en la visualización del fenómeno, sin embargo, se ve más afectada por la difracción de luz indeseable. Por consiguiente, la capa verde de la cámara, resulta óptima para analizar el fenómeno.
In this work a Schlieren system is proposed. It is used to visualizing a convection flow, caused by the cooling surface a Peltier cell. The experimental assembly elements are a white LED light source (450 nm – 650 nm) that consumes 300 nW of measured electrical power, a Z-type optical reflective relay, a knife, an image acquisition system based on an Edmund EO02018C camera with CMOS RGB sensor and optomechanical components. A program for the analysis of the reference and the convection flow video was designed. As a first step, numerical integration and the phase unwrapping were carrid out to obtain the temperature gradients of the phenomenon under study and its temporal evolution. Then, each detection layer was analyzed, processing the data that provide more information on this phenomenon. It is important to note that the red layer of the camera has a better contrast in the visualization of the phenomenon, however, it is more affected by undesirable light diffraction. Therefore, the green layer of the camera is optimal for analyzing the phenomenon, this study confirms that that the Schlieren technique is ideal for observing phenomena where the temperature gradient is small and there are convection flows.
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