Estudo numérico de um arranjo triangular de cilindros submetidos a escoamento laminar com convecção forçada

Abstract

O presente trabalho numérico estuda a transferência de calor por convecção forçada em um arranjo triangular de cilindros considerando um escoamento em regime laminar, bidimensional, incompressível, e transiente. A solução numérica (conservação de massa, quantidade de movimento e energia) foi obtida a partir de um código computacional baseado no método dos volumes finitos (FVM – <em>Finite Volume Method</em>). Para a otimização geométrica do arranjo de cilindros é empregado o Método <em>Constructal Design</em>. As simulações foram realizadas para escoamentos com números de Reynolds e Prandtl de <em>Re<sub>D</sub> </em>= 100 e <em>Pr </em>= 0.71. A otimização parte da avaliação de qual razão <em>S<sub>T</sub>/D </em>(passo transversal sobre o diâmetro) e <em>S<sub>L</sub>/D </em>(passo longitudinal sobre o diâmetro) que minimiza o coeficiente de arrasto e maximiza a taxa de transferência de calor (número de Nusselt) entre os cilindros e o escoamento circundante. Os resultados mostraram que o comportamento fluidodinâmico e térmico foram bastante influenciados pelas razões <em>S<sub>T</sub>/D </em>e <em>S<sub>L</sub>/D</em>. O coeficiente de arrasto (<em>C<sub>D</sub></em>) mínimo foi encontrado para a configuração <em>S<sub>L</sub>/D </em>= 5.0 e <em>S<sub>T</sub>/D </em>= 1.5, e o máximo número de Nusselt (<em>Nu<sub>D</sub></em>) foi obtido para <em>S<sub>L</sub>/D </em>= 1.5 e <em>S<sub>T</sub>/D </em>= 5.5. Entretanto, os melhores arranjos considerando a função multi-objetivo (arrasto e transferência de calor) foram alcançados em uma região ótima e não para uma configuração específica. Dentre os casos analisados se destacaram as configurações S<sub>L</sub>/D = 5.0 e S<sub>T</sub>/D = 2.0 e <em>S<sub>L</sub>/D </em>= 5.0 e <em>S<sub>T</sub>/D </em>= 2.5, sendo que os dois primeiros valores trouxeram benefícios para o problema fluidodinâmico e os dois últimos valores apresentaram uma leve vantagem do ponto de vista térmico.