Estudio numérico de la región de entrada para convección forzada en flujo interno con altos números de Prandtl

Abstract

Este trabajo tiene como objetivo principal realizar el estudio numérico de la transferencia de calor por convección forzada, en la región de entrada térmica (región donde se desarrolla la capa límite térmica) de conductos de sección transversal de geometría simple, con fluidos con altos números de Prandlt y con viscosidad variando de forma exponencial en función de la temperatura. Para esto, se utilizó el software ANSYS® CFX™, que emplea el método numérico de Volúmenes Finitos basados en Elementos, y que mediante discretizaciones del dominio con mallas híbridas, permite encontrar la solución numérica de las ecuaciones de conservación (masa, cantidad de movimiento lineal y energía). Se hicieron simulaciones del fenómeno de convección forzada en flujo interno entre placas planas paralelas, cilindros y tubo anular; con un crudo extrapesado y considerando propiedades físicas constantes y variación de la viscosidad con la temperatura. De las simulaciones se obtuvieron perfiles de velocidad y temperatura, donde para el caso de propiedades constantes, los perfiles de velocidad mantuvieron su forma parabólica a lo largo del conducto, mientras que para la viscosidad variando en función de la temperatura, los perfiles de velocidad presentan una deformación, atribuido a los cambios de temperatura en la pared, equivalente a variar los valores del parámetro que relaciona la variación de la viscosidad (𝐵=ln⁡(𝜇0/𝜇𝑤)). En los perfiles de temperatura para el caso de propiedades constantes y viscosidad variando en función de la temperatura, se observó que presentan el mismo comportamiento, el cual es que el espesor de la capa limite térmica aumenta a medida que el fluido avanza a través del conducto. Los resultados fueron comparados con algunas correlaciones clásicas como las de Leveque (1928), Sieder y Tate (1935) y, Shah y London (1978) para propiedades constantes, donde la menor desviación se obtuvo del ajuste de Shah y London. En el caso en que la viscosidad varia de forma exponencial con respecto a la temperatura, los resultados fueron comparados con la correlación de Sieder y Tate, y con investigaciones recientes como las de Nonino et al (2006) y Rosales (2008); en donde se observó que la correlación de Sieder y Tate al igual que el modelo matemático de Rosales se ajustan de forma adecuada, para cuando se tienen valores del parámetro que relaciona la variación de la viscosidad, menores a 5.