Resumen:
Neste trabalho tem-se o objetivo de apresentar um método de estimação simultânea da
condutividade térmica, ݇, e do calor específico, ܿ, de amostras de Carboneto de Tungstênio e
de Aço Inoxidável AISI 304, considerando a resistência de contato existente entre o aquecedor
resistivo e a amostra metálica. Foi utilizado um modelo térmico baseado na equação da difusão
de calor unidimensional transiente considerando propriedades térmicas constantes. As
propriedades térmicas são determinadas de forma simultânea utilizando os dados de um mesmo
experimento. A amostra metálica é colocada entre um aquecedor resistivo e um isolante
térmico. Para garantir a unidimensionalidade do experimento, a amostra possui espessura com
uma razão de 1:5 quando comparada às outras dimensões e o experimento tem um curto período
de realização. Um fluxo de calor constante é imposto na superfície superior da amostra e uma
condição de isolamento térmico é mantida na superfície oposta, onde a temperatura é medida
por um termopar tipo T. A resistência de contato é calculada e considerada como um fator
redutor do fluxo de calor aplicado. Ao invés de se considerar um modelo agrupado (lumped
model), uma configuração microscópica das regiões de contato foi usada para descrever a
rugosidade da superfície e o interstício de fluido. A rugosidade da superfície é caracterizada
pelas altura e inclinações médias. Para isso, asrugosidades da superfície do aquecedor resistivo
e da amostra metálica foram medidas por um rugosímetro digital. A condutância de constrição
foi calculada através da correlação de Cooper-Mikic-Yovanovich (CMY), válida para
superfícies rugosas isotrópicas. A correlação CMY relaciona a condutância de constrição com
a rugosidade e a carga de pressão na interface de contato. A condutância intersticial é calculada
assumindo que o fluido nos interstícios é o ar; foram consideradas a condutividade térmica do
ar, a espessura média da separação e o parâmetro do ar. De maneira a assegurar a estimação
simultânea e confiável de ambas as propriedades, foi realizada a análise dos coeficientes de
sensibilidade, definidos pela primeira derivada parcial da temperatura em relação ao parâmetro
analisado, multiplicado pelo parâmetro analisado. Por meio dessa análise, definiu-se as
intensidades de fluxo de calor, tempo de duração dos experimentos, intervalo de tempo na
aquisição de dados, entre outras características do experimento. A estimativa das propriedades
térmicas ocorreu pela minimização de uma função objetivo definida pela diferença ao quadrado
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da temperatura experimental e numérica. Para essa minimização foi empregado o método de
otimização BFGS (Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno implementado em um código no
software MATLAB. A temperatura numérica foi obtida por meio do programa COMSOL, que
resolveu o problema transiente de condução de calor discretizando-o pelo Método dos
Elementos Finitos (MEF), cujas equações foram solucionadas por meio do método BDF
(Backward Differentiation Formula), que se trata de uma técnica implícita para integração
numérica. Os dois programas utilizados possuem uma interface de comunicação entre si, o que
facilita os trabalhos de programação e a obtenção de resultados. De forma a validar os valores
obtidos para as propriedades térmicas, estimou-se o fluxo de calor imposto utilizando, sendo
utilizado o Método da Função Especificada (SFSM) clássico. Além disso, uma análise de
incertezas foi realizada com o objetivo de garantir a qualidade dos resultados obtidos, onde os
erros do termopar, do isolamento térmico, da aquisição de dados, do multímetro, do método de
otimização BGFS, do método de integração BDF, do rugosímetro, entre outros, foram levados
em consideração. Por fim, as propriedades estimadas tiveram baixos valores de desvio-padrão
e os fluxos estimados tiveram ótimo comportamento e ficaram em torno de 95dos fluxos
experimentais