Language
Country/Area
No result found
A misteriosa conexão da energia térmica: por que o fluxo de calor e as interfaces são tão essenciais no projeto de engenharia?
Com o uso generalizado da tecnologia computacional, o modelo contemporâneo de transferência de calor por convecção conjugada surgiu, substituindo a relação proporcional empírica anterior entre fluxo de calor e diferença de temperatura. Este modelo é baseado em uma descrição matemática rigorosa da troca de calor entre um objeto e um fluido, uma interação que ocorre quando os dois objetos interagem. Os diferentes processos físicos e soluções das equações governantes são considerados separadamente, permitindo que esses problemas sejam analisados em seus próprios subdomínios.
Contexto históricoProblemas de condução de calor coespectral envolvem troca de calor entre sistemas, e essa interface pode ser considerada o ponto de contato entre dois estados físicos diferentes.
Em 1961, Theodore L. Perelman propôs pela primeira vez o problema da condução de calor quando um líquido passa ao redor de um objeto e criou com sucesso um modelo para ele, o que também levou ao nascimento do termo "problema de condução de calor conjugado". Posteriormente, ele desenvolveu esse método com A.V. Luikov. Durante esse período, muitos pesquisadores começaram a usar métodos diferentes para resolver problemas simples, combinando soluções de objetos e fluidos em suas interfaces. Uma solução conjugada inicial está incluída no livro de Dorfman.
Declaração do problema de conjugação
O problema de transferência de calor por convecção conjugada consiste em um conjunto de equações que refletem as diferenças entre os dois sistemas nos domínios do objeto e do fluido e incluem os seguintes aspectos importantes:
Domínio do Objeto
Envolve equações de condução transitórias ou de estado estacionário, como as equações de Laplace ou Poisson, ou equações unidimensionais simplificadas para corpos finos.
Domínio Fluido
Para fluxos laminares: equações de Navier-Stokes e a equação de energia ou equações simplificadas para camadas limites em grandes números de Reynolds e fluxo gradual em pequenos números de Reynolds. Para fluxos turbulentos: equações de Navier-Stokes com média de Reynolds e a equação de energia ou as equações da camada limite para grandes números de Reynolds.
Condições iniciais de contorno e conjugadas
Essas condições definem a distribuição espacial das variáveis nas equações dinâmicas e de calor no tempo inicial, incluindo a condição de não deslizamento e outras condições dinâmicas comumente usadas. A condição conjugada requer que a continuidade do campo térmico seja mantida na interface objeto/fluido, ou seja, a temperatura e o fluxo de calor do objeto e do fluido próximo à interface devem ser iguais: T(+) = T(-), q(+) = q(-).
Solução
Métodos numéricos
Uma maneira de alcançar a conjugação é por meio da iteração. Cada solução para um corpo ou fluido gera condições de contorno para outro componente. Esse processo é repetido alternadamente sob diferentes condições de contorno até que finalmente converge.
Método Analítico
Ao combinar a solução da equação de condução com a integral de Duhamel, o problema conjugado pode ser transformado na equação de condução de calor apenas com o objeto, o que expande o escopo do problema para incluir diferentes tipos de fluxo, gradientes de pressão e mudanças de temperatura instáveis.
Âmbito de aplicação
De exemplos simples na década de 1960, os métodos de transferência de calor conjugado evoluíram para ferramentas poderosas para simular e estudar uma ampla variedade de fenômenos naturais e sistemas de engenharia, desde reatores aeroespaciais e nucleares até processos complexos, como tratamento térmico e processamento de alimentos. Essa abordagem tem uma ampla gama de aplicações e foi confirmada e expandida na literatura nos últimos anos.
A ampla aplicação do método conjugado foi verificada em casos reais em muitos campos e se tornou uma parte indispensável do projeto de engenharia.
À medida que a tecnologia avança e as necessidades mudam, como usaremos essas conexões térmicas para expandir os limites do design de engenharia no futuro?
