Modelagem numérica do escoamento ao redor de cilindros aquecidos rotativos em regime laminar e turbulento.

Abstract

O estudo do escoamento e da transferência de calor ao redor de corpos aquecidos imersos em fluidos tem diversas aplicações em situações práticas de engenharia: trocadores de calor, aquecedores, dispositivos eletrônicos, cilindros aquecidos da indústria de papel e celulose, entre outros. Enquanto o problema de corpos estacionários possui uma gama considerável de trabalhos publicados, problemas em que o corpo imerso no fluido também se movimenta são mais escassos na literatura. Além disso, para as situações em que o corpo também está aquecido, é necessário analisar a influência da transferência de calor no fluido e vice versa. No Método da Fronteira Imersa (MFI) termos fontes de força e energia, decorrentes da presença do corpo imerso, são adicionados aos termos fontes das equações de Navier-Stokes e da Energia. A geometria imersa é representada por uma malha lagrangiana que se sobrepõe à malha euleriana do domínio. Este procedimento favorece a simulação de fenômenos complexos como o de interação fluido-estrutura, se comparado com modelos convencionais de malhas adaptativas. O Modelo Físico Virtual (MFV), uma metodologia para avaliação do campo de forças lagrangiano desenvolvido por Lima E Silva (2002), tem se mostrado bastante competitivo em relação às abordagens convencionais. No presente trabalho, foram simulados escoamentos ao redor de cilindros rotativos aquecidos a diferentes valores do número de Reynolds, Richardson e rotações específicas, para regimes laminares e tubulentos. Utilizou-se um programa particular bidimensional baseado no MFI/MFV e também foram simulados casos utilizando o programa OpenFOAM. A evolução temporal dos coeficientes aerodinâmicos de arrasto e sustentação e o número de Nusselt foram analisados. Os valores médios de Cd, Cl e Nusselt e os campos instantâneos de temperatura e vorticidade também foram analisados. Os resultados obtidos foram comparados com dados da literatura, mostrando boa concordância entre eles. Foi proposta uma correlação empírica para o número de Nusselt, em função do número de Reynolds e da rotação específica, utilizando os resultados do OpenFOAM. Esta correlação apresenta bom ajuste dos dados para a faixa de valores analisada.