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Flujo Turbulento y Transferencia de Calor en un Canal con dos Obstáculos Alineados
AXIALMENTE
Jaime A. Alvarez Marín.
Profesor Guía : Sr. Alvaro Valencia M.Profesor Guía : Sr. Alvaro Valencia M.
Profesor Co-Guía : Sr. Ramón FrederickProfesor Co-Guía : Sr. Ramón Frederick
Profesor Integrante:Profesor Integrante: Sr. Juan Carlos Elicer.Sr. Juan Carlos Elicer.
EXAMEN DE GRADO 1 EXAMEN DE GRADO 1 /20 /20 ..
Universidad de ChileFacultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Departamento Ingeniería Mecánica
c = dReH = 10000
Gc Variable
Presentación del Problema
Flujo de Aire
Tp = 2Too > 0C
EXAMEN DE GRADO 2/20EXAMEN DE GRADO 2/20
Objetivos:
– General Realizar la Simulación Numérica Bidimensional de un Flujo
Turbulento al Interior de un Canal con dos Barras Alineadas
– Específicos: Estudiar el Efecto de la Separación Entre los Obstáculos
Sobre los Parámetros del Flujo Turbulento. Estimar la Transferencia de Calor y la Pérdida de Carga al
Interior del Canal.
EXAMEN DE GRADO 3/20EXAMEN DE GRADO 3/20
Metodología Utilizada
• Se Revisó y Analizó la Literatura.• Se Estudió el Modelo k-.• Se Modificó un Programa Numérico Existente, Basado en el
Método de los Volúmenes de Control.• Se Desarrolló un Programa para la Evaluación de
Resultados.• Se Definieron los Casos que se han Estudiados.• Se Definió la Malla y el Espacio Tiempo. • Se Validó el Método Utilizado Comparando con la Literatura• Se Ejecutó el Programa Numérico Modificado • Se Analizaron los Resultados.
EXAMEN DE GRADO 4/20EXAMEN DE GRADO 4/20
Modelo k- Ecuaciones de Balance (masa, momentum y energía) Descomposición de Reynolds Modelo k-:
22 'v'u2
1k
2
t
kC
EXAMEN DE GRADO 5/20EXAMEN DE GRADO 5/20
0y
)v(
x
)u(
Gy
k
yx
k
xy
kv
x
ku
t
k
k
t
k
t
kCG
kC
yyxxyv
xu
t 21
tt
x
k
3
2
y
u
x
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yx
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x2
x
p1
y
uu
x
uu
t
utt
y
T
PrPryx
T
PrPrxy
Tv
x
Tu
t
T
t
t
t
t
Definición de la Geometría y los Casos
Mejor desempeño para d=0.152H, Valencia (1999)Mejor desempeño para Gc=10d, Tsia y Hwang (1998)Desprendimiento de vórtices a partir de Gc=2,27d, Tatsutani et
al. (1992)A 10d de la Entrada del Canal, Bosch y Rodi (1996)Casos: Canal sin Obstáculos, Gc=0d, Gc=10d, Gc=8.875d,
Gc=7.75d, Gc=6.665d, Gc=5.5d.
EXAMEN DE GRADO 6/20EXAMEN DE GRADO 6/20
Definición de la MallaSe escogió una malla de 625x125
volúmenes de control, ya que:
Se estudió la dependencia de los resultados con la malla para C S/O y Gc=0d, para cinco mallas distintas
Para C S/O, se cometen errores menores que 1% en todos los parámetros, entre la malla más fina y la malla escogida
Para Gc=0d, errores menores que 2.7% e incremento en el tiempo Computacional en más de 96%, entre la malla más fina y la escogida
EXAMEN DE GRADO 7/20EXAMEN DE GRADO 7/20
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
8 10 12 14 16 18 20 22 24
Número de Nodos que definen la Cara Frontal del Obstáculos
Tie
mp
o C
om
pu
tac
ion
al
[mim
]
Validación del Método
Se simuló un caso similar al reportado por Nakagawa et al. (1999) con la malla 625x125.
Geometría Nakagawa et al. (1999):
L=10H; A=0.6H; d=0.2H; Re=15000; Flujo de calor cte. en la pared
Geometría Caso Simulado:
L=5H; A=0.6H; d=0.2H; Re=15000; Flujo de calor cte. en la pared
EXAMEN DE GRADO 8/20EXAMEN DE GRADO 8/20
0 1 2 3 4 5
x/H
50
100
150
200
Nu
Nakagawa et al. (1999)
Investigación Actual
Resultados Campo de K (energía cinética turbulenta), en cuatro cuartos de un periodo de desprendimiento de vórtices
EXAMEN DE GRADO 9/20EXAMEN DE GRADO 9/20
Resultados Campo de K (energía cinética turbulenta), en cuatro cuartos de un periodo de desprendimiento de vórtices
EXAMEN DE GRADO 10/20EXAMEN DE GRADO 10/20
t/T=1/4 t/T=2/4
t/T=1/4 t/T=2/4
t/T=3/4 t/T=4/4
Resultados Campo de velocidades, en t/T=1/4
EXAMEN DE GRADO 11/20EXAMEN DE GRADO 11/20
ResultadosPromedio Temporal de la Velocidad Horizontal (U) Sobre el Eje de Simetría del Canal.
EXAMEN DE GRADO 12/20EXAMEN DE GRADO 12/20
ResultadosCoeficiente de Fricción (Cf) alrededor del segundo obstáculo.
EXAMEN DE GRADO 13/20EXAMEN DE GRADO 13/20
ResultadosEXAMEN DE GRADO 14/20EXAMEN DE GRADO 14/20
Coeficiente de Fricción (Cf) Local a lo Largo de la Pared Inferior.
ResultadosEXAMEN DE GRADO 15/20EXAMEN DE GRADO 15/20
Número de Nusselt (Nu) local a lo largo de la pared inferior.
ResultadosEXAMEN DE GRADO 16/20EXAMEN DE GRADO 16/20
Coeficiente de arrastre(Cd) sobre los obstáculos.
ResultadosEXAMEN DE GRADO 17/20EXAMEN DE GRADO 17/20
Amplitud del Coeficiente de sustentación (ACl) sobre los obstáculos.
ResultadosEXAMEN DE GRADO 18/20EXAMEN DE GRADO 18/20
Aumento del Factor de fricción (f) respecto del factor de fricción (fo) del canal sin obstáculos.
ResultadosEXAMEN DE GRADO 19/20EXAMEN DE GRADO 19/20
Aumento del Número de Nusselt (Nu) respecto del Número de Nusselt (Nuo) del canal sin obstáculos.
Conclusiones
El segundo obstáculo actúa como amplificador de los vórtices desprendidos desde el primer obstáculo.
El largo de la zona de recirculación del segundo obstáculo es menor que la del primero y es creciente con Gc.
El coeficiente de fricción sobre las paredes crece linealmente con Gc. El coeficiente de arrastre y la amplitud del coeficiente de sustentación
sobre el primer obstáculo no dependen de Gc. El coeficiente de arrastre y la amplitud del coeficiente de sustentación
sobre el segundo obstáculo son crecientes con Gc. El factor de fricción es creciente con Gc El número de Nusselt presenta un máximo dentro del rango de Gc
estudiado La presencia de un obstáculo perturba el flujo 4d aguas arriba
EXAMEN DE GRADO 20/20EXAMEN DE GRADO 20/20
Universidad de ChileFacultad de Ciencias Físicas y Matemáticas
Departamento Ingeniería Mecánica
INFORME DE AVANCE ME-69FINFORME DE AVANCE ME-69F
Estudio del Flujo Turbulento y la Transferencia de Calor, en un Canal con dos Obstáculos Alineados Horizontalmente de
Separación VariableJaime A. Alvarez Marín.
Profesor Guía : Sr. Alvaro Valencia M.Profesor Guía : Sr. Alvaro Valencia M.
Profesor Co-Guía : Sr. Ramón FrederickProfesor Co-Guía : Sr. Ramón Frederick
ResultadosParámetros Globales promedio
INFORME FINAL ME-69FINFORME FINAL ME-69F
Gc 1000xCf Cd1 Cd2 1000xf Nu St
C S/O 14.33 --- --- 21.10 54.91 ---
0d 16.88 1.85 --- 51.35 58.86 1,10
3.25d 17.70 1.79 0.16 54.39 59.36 1,04
5.5d 18.08 1.84 1.25 73.61 60.88 1,07
6.665d 18.26 1.85 1.48 78.24 61.08 1,08
7.75d 18.38 1.85 1.59 80.58 61.09 1,09
8.875d 18.48 1.84 1.64 82.37 61.04 1,09
10d 18.55 1.85 1.70 83.93 60.99 1,10