Desenvolvimento de um modelo semiempírico bidimensional para representar o fenômeno tridimensional de escoamento laminar e transferência de calor em um tubo helicoidal.

• Ano de defesa: 2023
• Autor(a) principal: Fortes, Nilo Henrique Meira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Biblioteca Digitais de Teses e Dissertações da USP
• Palavras-chave em Português: Distribuição do tempo de residência; Escoamento secundário; Heat transfer; Helical tube; Modelagem; Modeling,Residence time distribution; Secondary Flow; Transferência de calor; Tubo helicoidal
• Link de acesso: https://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/3/3137/tde-04032024-091752/

A alta taxa de mistura no escoamento laminar em tubos helicoidais é uma característica importante em processos de aquecimento ou resfriamento de fluidos. Neste trabalho, um modelo bidimensional (2D) semiempírico baseado em tubo reto foi proposto para representar o escoamento laminar e a transferência de calor em um tubo helicoidal e um modelo tridimensional (3D) foi desenvolvido para estudar o fenômeno de circulação secundária e a intensificação da troca de calor. Para ajuste do modelo 2D, ensaios isotérmicos de distribuição do tempo de residência (DTR) foram realizados em um tubo helicoidal com escoamento de uma mistura de glicerina e água e de uma solução de carboximetilcelulose (CMC) em vazões de 0,5 a 2,0 L/min. Modelos de DTR foram ajustados aos dados experimentais. Ensaios de aquecimento e de resfriamento foram realizados no tubo helicoidal com escoamento dos dois fluidos em diferentes condições de vazão e temperatura, imerso em um banho ultratermostático com água. Condições de contorno apropriadas foram aplicadas aos modelos e estudos de independência da malha forneceram a malha para discretização do domínio computacional de cada modelo. As simulações foram realizadas pelo método de diferenças finitas para o modelo 2D e pelo método de elementos finitos para o modelo 3D nas condições experimentais de aquecimento e resfriamento. O perfil de velocidade correspondente ao modelo de DTR -laminar (melhor ajuste) foi incluído no modelo 2D e as temperaturas de saída dos ensaios de aquecimento e de resfriamento foram especificadas nas simulações do modelo 2D para determinar o fator de aumento de transferência de calor (). Esse fator foi correlacionado com o número de Reynolds e apresentou um valor limite de = 1 quando não houve intensificação da transferência de calor. As simulações do modelo 3D para um caso de resfriamento com a solução de CMC permitiram identificar a formação dos vórtices de Dean no escoamento, que ficaram mais evidentes para a vazão mais alta (1,5 L/min). As simulações do modelo 2D foram concluídas em cerca de 1 min e apresentaram baixo consumo de memória RAM (1 GB), enquanto o modelo 3D levou até 4 dias para concluir as simulações que apresentaram alto consumo de memória RAM (250 GB). A rapidez para gerar resultados e a boa capacidade de predição da temperatura do modelo 2D podem ser utilizados para o controle preditivo em processos térmicos, especialmente quando é necessário ter o perfil de temperatura do longo do tubo e não só a temperatura de saída; entretanto, por se tratar de um modelo semiempírico, requer ajustes a partir de dados experimentais.