Estudo e aplicação de simulação computacional em problemas simples de mecânica dos fluidos e transferência de calor - Parte II: Problemas clássicos de transmissão de calor

Abstract

Dando continuidade ao estudo referenteà utilização de Dinâmica dos Fluidos Computacional (DFC) no ensino de física e engenharia, o presente trabalho visa analisar e comparar, com fins didáticos, soluções obtidas numericamente com soluções analíticas e empíricas, comumente apresentadas em sala de aula e de interesse de laboratórios de graduação, de problemas clássicos envolvendo dinâmica dos fluidos e transferência de calor. Neste estudo o foco maior foi dado a problemas de transferência de calor. Para o cálculo das soluções numéricas foi utilizado um dos softwares representantes do estado da arte de DFC, o ANSYS CFX 12.1. Os problemas escolhidos foram: convecção em placa plana em regime laminar, escoamento laminar em torno de um cilindro aquecido, escoamento interno turbulento em dutos circulares aquecidos e trocador de calor de tubos concêntricos. Estes problemas, aqui apresentados, foram escolhidos e resolvidos por alunos de graduação, avalizando a utilidade da DFC como ferramenta de aprendizado de fenômenos físicos. Palavras-chave: mecânica dos fluidos, transmissão de calor, dinâmica dos fluidos computacional, método dos volumes finitos, Ansys-CFX 12.1, ferramenta didática.Continuing the study on the use of Computational Fluid Dynamics (CFD) in physics and engineering teaching, the present work aims to analyze and compare, for didactic purposes, solutions numerically obtained against known analytical and empirical solutions, commonly presented in the classroom and in undergraduate labs, of classical problems involving fluid dynamics and heat transfer. In this study the main focus was pointed to heat transfer problems. For the numerical solutions computation, one of the Computational Fluid Dynamics (CFD) softwares that represent its state-of-the-art, ANSYS CFX 12.1 was employed. The chosen problems were: laminar heated plate convection, laminar flow around a heated cylinder, turbulent internal flow in heated circular ducts and concentric tubes heat exchanger. These problems were chosen and solved by undergraduate students, demonstrating the usefulness of CFD as a tool for learning physical phenomena.

Turbulence Models Applied to Classical Fluid Mechanics and Heat Transfer Problems - The Performance Evaluation of the Open Source CFD Package Openfoam

“…The finite volume method (FVM) is characterized by the discretization of the system of conservation equations (mass, linear moment, energy and turbulence) in conjunction with the equations of state to obtain a system of algebraic linear equations, that are solved by means of iterative methods, obtaining a numerical result that characterizes the behavior of the flow and the heat transfer fields of a given problem. FVM is based on the integration of properties and their flows into a control volume small enough to ensure volumetric uniformity and interpolation of the properties' values between faces (ROCHA; SILVEIRA, 2012;WEHMANN et al, 2018;PATANKAR, 1980).…”

“…is already a reality that brings several benefits, such as reducing the cost and time for product development. The increasing use of computational procedures is due to the advancement of the processors' performance as well as the numerical simulation software and the decreasing costs of hardware equipment (ROCHA; SILVEIRA, 2012;WEHMANN, et al, 2018). Given that most of the flows, which are observed in the practical context of designing devices and systems, are characterized by being turbulent (VERSTEEG; MALALASEKERA, 2007), the study on the modeling of such problems is of utmost importance in the training of professionals that will work with this subject, which occurs mainly in technological and exact sciences.…”

Computational Analysis of Load Ventilation in Broiler Transport

“…The use of CFD and Engenharia Agrícola, Jaboticabal, v.41, n.1, p.9-18, jan./feb. 2021 small-scale models in wind tunnel tests on projects or a problem analysis has been increasing owing to reduced costs, an increase in the processor performance, and advances in computer simulation software (Wehmann et al, 2017).…”

Análise de um motor-foguete bi-propelente aplicada ao ensino de termodinâmica: um estudo de caso

“…A interatividade no ensino deve envoler, entre outras características, a interação física (hands-on), o emocional, intelectual e social segundo Bassoli [9], nessas categorias o aluno deve ser desafiado em seu conhecimento de tal forma que haja oportunidade de pensar e discutir, mas também seja motivado. Esta motivação pode ser obtida pela contextualização do desenvolvimento científico [10], através da interdisciplinaridade [11,12,13], e na situação de do estudo de caso, isso é alcançado quando o estudante aprende com casos próximos do real [14].…”