Transferencia de calor de un Jet de impacto Presentaci

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Transferencia de calor de un Jet de impacto
Presentación Final

• Alumnos Juan Fernández del Valle
• Leonardo Henríquez Cancino
• Máximo León Ganem
• Curso ME-717
• Profesor Álvaro Valencia

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Introducción

• Se desarrollará el problema del impacto de un jet
  de fluido sobre una pared caliente, con el
  objetivo de extraer el máximo calor.
• Se estudiarán diferentes casos, comparando el
  coeficiente de transferencia de calor en cada
  caso.
• Algunas aplicaciones a estos jets son el
  Enfriamiento de álabes de turbinas, paredes de
  calderas, circuitos electrónicos y tratamientos a
  enfermedades de la piel.

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Objetivos

• Simular el problema del impacto de un Jet plano a
  través del programa computacional Fluent.
• Comparar los resultados con el estudio de un
  caso particular realizado anteriormente y
  publicado con el nombre de Numerical Simulation
  of Fluid Jet Impingement on a wall, de Li Yang.
• Comparar el caso base con el mismo problema, pero
  variando el ancho del canal.

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Objetivos

• Presentar el caso del Jet con agua como fluido de
  trabajo.
• Mostrar la influencia del caso de un jet
  dispuesto con un ángulo de inclinación no
  perpendicular a la placa.
• Emitir comentarios y comparaciones de los
  resultados entre cada caso.

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Características del Jet

• El Jet sale de una tobera de geometría dada, con
  una cierta velocidad, y número de Reynolds,
  suponiéndolo desarrollado antes de salir.
• Justo después de la salida, se considera al flujo
  como un Jet Libre.
• Al salir, el Jet impacta directamente a la
  superficie, después de un recorrido, volviéndose
  inestable y turbulento.

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Características del Jet

• Una vez que impacta el flujo se considera como
  flujo sobre una pared.
• Como resultado del flujo turbulento, el
  coeficiente de transferencia de calor (h) aumenta
  significativamente, siendo mayor en la línea
  central del jet.
• Se considera que el flujo es simétrico, con
  respecto a la línea central del eje de la tobera
  respectiva.

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Aplicaciones

• Enfriamiento de álabes de turbina

8
Aplicaciones

• Enfriamiento de paredes de caldera en la
  industria (reducción de contaminantes)

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Aplicaciones

• Tratamientos de enfermedades en la piel que
  utilizan láser reducción del daño provocado por
  el láser sobre la piel.

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Aplicaciones

• Se encuentra en estudio el confinamiento de
  escalares activos y pasivos (temperatura y humo)
  mediante Jets de impacto dentro de un túnel.
  (tema de memoria)

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Antecedentes

• Efectos de la geometría en la transferencia de
  calor
• Espacio tobera-superficie (se estudia h en
  función de z/D).
• Espacio entre Jets x , y (se estudia h en función
  de x/D e y/D).

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Antecedentes

• El jet de impacto se puede dividir en tres zonas
  zona potencial, zona intermedia y zona de
  impacto.

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Formulación Matemática

• Las ecuaciones que gobiernan el sistema son
• Conservación de masa
• Conservación de momentum
• Conservación de energía

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Formulación Matemática

• Al adecuar las ecuaciones a los volúmenes de
  control, se tiene las siguientes ecuaciones en su
  forma integral
• Continuidad
• Momentum
• Energía

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Formulación Matemática

• Discretizando las ecuaciones a los volúmenes
  de control se obtiene lo siguiente
• Continuidad
• Momentum en u

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Formulación Matemática

• Momentum en v
• Energía

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Formulación Matemática

• Luego se emplea el método SIMPLEC (versión
  consistente del método SIMPLE) de corrección de
  presión para resolverlas.
• Este es un método iterativo que a través de
  valores tentativos y la resolución de las
  ecuaciones con estos valores, se obtienen
  correcciones para la velocidad y la presión,
  hasta obtener una convergencia.

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Parámetros de Diseño
Esquema del jet
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Parámetros de Diseño

• La dimensión H vale 1 cm
• La velocidad de entrada es de 1,29 m/s
• Se trabajará a presión atmosférica y sin gravedad
• Cada elemento de la malla tendrá un área de 4e-4
  m2, siendo los elementos de forma cuadrada, por
  simetría del modelo.

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Parámetros de Diseño

• Fluido aire
• Constantes densidad 1,225 kg/m3
• Cp 1006,43 J/kg K
• K 0,0242 W/m K
• Viscocidad 1,7894e-5
  kg/ms

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Parámetros de Diseño

• Solver
• Tiempo inestable
• Formulación de la inestabilidad de segundo orden
• Espacio 2D
• Tiempos a utilizar
• t1 0,00775 seg (t 1)
• t2 0,031 seg (t 4)
• t3 0,093 seg (t 12)

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Resultados y Comparación con el Artículo
t 1.0 t 7.75 X 10-3s
23
Resultados y Comparación con el Artículo
24
Resultados y Comparación con el Artículo
t 4.0 t 3.1 X 10-2s
25
Resultados y Comparación con el Artículo
26
Resultados y Comparación con el Artículo
t 12.0 t 9.3 X 10-2s
27
Resultados y Comparación con el Artículo
28
Resultados y Comparación con el Artículo

• Se puede ver que los resultados en Fluent son muy
  parecidos a los del autor, programado en MatLab.
• La discrepancia está en la malla y espacio de
  tiempo.
• Se obtienen problemas con el flujo reverso en el
  programa, al acercarse los vórtices a las
  salidas.

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Análisis de Resultados

• Se estudiaron las siguientes variaciones
• Se cambio el ancho original del canal a 2cm y
  6cm.
• Se cambio el fluido original (aire) por agua.
• Se cambio el ángulo de la boquilla.

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Análisis de Resultados

• Caso Base
• Fluido Aire.
• Ancho del canal 4 cm.
• Ángulo de la boquilla 0º.

4 cm
4 cm
8 cm
aire
1 cm
1.29 m/s
8 cm
300 ºK
1200 ºK
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Análisis de ResultadosCaso Base

• Vectores de velocidad

t 0,08 s
t 0,208 s
t 0,538 s
figura
figura
figura
32
Análisis de ResultadosCaso Base

• Contorno de Temperaturas

t 0,08 s
t 0,208 s
t 0,538 s
figura
figura
figura
33
Análisis de ResultadosCaso Base

• Coeficientes de Transferencia de Calor

t 0,08 s
t 0,208 s
t 0,538 s
figura
figura
figura
34
Análisis de ResultadosAncho 2 cm

• Variando el ancho del canal a 2 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
35
Análisis de ResultadosAncho 2 cm

• Variando el ancho del canal a 2 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
36
Análisis de ResultadosAncho 2 cm

• Variando el ancho del canal a 2 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
37
Análisis de ResultadosAncho 6 cm

• Variando el ancho del canal a 6 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
38
Análisis de ResultadosAncho 6 cm

• Variando el ancho del canal a 6 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
39
Análisis de ResultadosAncho 6 cm

• Variando el ancho del canal a 6 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
40
Análisis de ResultadosCaso Base con Agua

• Vectores de Velocidad

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
41
Análisis de ResultadosCaso Base con Agua

• Contornos de Temperaturas

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
42
Análisis de ResultadosCaso Base con Agua

• Coeficientes de Transferencia de Calor

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
43
Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 2cm

• Variando el ancho del canal a 2 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,6 s
figura
figura
figura
44
Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 2cm

• Variando el ancho del canal a 2 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,6 s
figura
figura
figura
45
Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 2cm

• Variando el ancho del canal a 2 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,6 s
figura
figura
figura
46
Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 6cm

• Variando el ancho del canal a 6 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
47
Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 6cm

• Variando el ancho del canal a 6 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
48
Análisis de Resultadoscon Agua y Ancho 6cm

• Variando el ancho del canal a 6 cm

t 0,08 s
t 0,20 s
t 0,4 s
figura
figura
figura
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Coeficiente de Transferencia de Calor h
Variación de la Geometría Evolución del Máximo
de h en Función del Estado de Desarrollo del Jet
para un canal inclinado
50
Coeficiente de Transferencia de Calor h
Comparación con el estudio preliminar del Jet con
un canal horizontal.
51
Coeficiente de Transferencia de Calor h
Evolución del Máximo de h en Función del Estado
de Desarrollo del Jet
52
Coeficiente de Transferencia de Calor h
53
Coeficiente de Transferencia de Calor h
Coeficiente de transferencia h justo antes del
impacto.
54
Coeficiente de Transferencia de Calor h
Coeficiente de transferencia de calor h justo
después del impacto. Coeficiente medio de
transferencia h 1500w/m2K, constante para
tiempos superiores.
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Variación de la Geometría

• Efecto del ángulo del canal de entrada del aire
  en h.

56
Variación de la Geometría

• Efecto del ángulo del canal de entrada del aire
  en evolución de h.

h 2800 w/m2K
h 3000W/m2K
57
Variación de la Geometría

• Efecto de un ángulo (con respeto a la vertical)
  menor del canal de entrada del aire en evolución
  de h.

58
Variación de la Geometría

• Efecto de un ángulo (con respeto a la vertical)
  menor del canal de entrada del aire en evolución
  de h.

h 3000 w/M2k
h 3150 w/M2k
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Jet de Aire Confinado Estable

• Características del jet en estado permanente
  dentro de un canal largo.

Jet estable a 4 segundos de desarrollo. Se uso un
paso de tiempo de 0,0008 segundos)
Formación de vórtices estables a lo largo del
conducto
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Jet de Aire Confinado Estable

• Evolución de h una vez que el Jet de aire ha
  impactado la placa caliente a 1200ºK.

Jet a 0,5 seg de desarrollo
Jet a 4 seg de desarrollo. Jet estable dentro del
canal.
61
Conclusiones

• Un Jet de impacto, como el del caso analizado, es
  un medio efectivo y rápido para disipar calor de
  un medio a q se encuentra a alta temperatura.
• La magnitud de hW/m2K son del orden de
  1500-2000 W/m2K para el canal de entrada
  horizontal, y 3000-3500 para el oblicuo, donde se
  hizo más grande el canal para visualizar el
  desarrollo de vórtices y su impacto en el valor
  de h.

62
Conclusiones

• Las variaciones en los valores máximos locales y
  medios de h, estarían explicados por la presencia
  de los vórtices, que consumen el calor del
  fluido, disminuyendo la transferencia de calor,
  para luego aumentarla al momento del impacto,
  pues Re aumentó y por lo tanto Nu .

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Conclusiones

• El Jet de impacto horizontal requiere de un
  tiempo largo para lograr la estabilización del
  mismo que se encuentra confinado en un canal de
  un largo muy grande (infinito), donde se
  desarrollan 6 vórtices que varían de manera
  notable el comportamiento de h, que primero
  aumenta cuando el Jet impacta y luego disminuye a
  un valor del orden de los 2500W/m2K, cuando se
  encuentra en estado permanente y donde la
  velocidad del fluido ha disminuido un poco.