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Transferencia de calor Solución de un problema de convección forzada mediante el uso de ANSYS.

Contenido 1.-Resumen......................................................................................................... 3

2.- Planteamiento del problema .........................................................................3 3.-Introducción.................................................................................................... 4 4.-Proceso de cálculo en ANSYS..........................................................................5 5.-Resultados...................................................................................................... 6 6.-Análisis de resultados..................................................................................... 9 7.-Conclusiones y recomendaciones.................................................................10 8.-Bibliografía.................................................................................................... 10 9.-Anexos.......................................................................................................... 11

1.- Planteamiento del problema. El problema se planteó de la siguiente manera:

“Encontrar mediante el uso de software de simulación el valor del flujo de calor (W/m2 ) promedio bajo condiciones de estado estable, para un flujo de aire externo que pasa a través de la geometría indicada en la figura, D = 8 mm, cuya superficie se encuentra a una temperatura constante de 115°C. La temperatura del aire entrante es de 22°C y su velocidad promedio es de 18 cm/s. Adicionalmente obtener el perfil de velocidades e isotermas del problema.” D

2.-Introducción. ANSYS es un software de simulación que mediante la discretización de los objetos realiza cálculos acerca de parámetros físicos involucrados en la interacción con el medio. Los parámetros dependen del tipo de problema a resolver, en nuestro caso vamos a utilizar ANSYS CFX que realiza cálculos que corresponden a mecánica de fluidos y transferencia de calor, estamos interesados en el flujo externo asociado con el planteamiento del problema. Por consiguiente las variables más importantes que se pueden encontrar con este modelo son el flujo promedio de transferencia de calor, las temperaturas y las velocidades del fluido que se puede encontrar en convección libre o forzada. ANSYS provee los resultados en forma gráfica, la primera parte de estos resultados muestran el desarrollo de la distribución de temperaturas y velocidades así como el desarrollo de la capa límite, además de la ubicación del punto de estancamiento, el punto de separación de capa límite y la formación de estelas. La segunda parte de los resultados, muestra el valor de las variables conforme se van realizando iteraciones en el modelo, en esta parte vamos a poder encontrar el flujo de calor promedio y las soluciones a las ecuaciones de conservación de masa, energía y momento que se asocian a este problema. El problema que se desea resolver es un problema que involucra mecánica de fluidos y transferencia de calor, desde el punto de vista de la transferencia de calor el problema está en determinar las temperaturas cercanas a la superficie del cuerpo, de tal manera que podamos apreciar la distribución del mismo y encontrar el flujo de transferencia de calor de la superficie, que posee mayor temperatura, al ambiente. El modo de transferencia de calor involucrado en esta situación física es el de convección forzada. Existen correlaciones para determinar el número de Nusselt, razón de la transferencia de calor por convección a la transferencia de calor por conducción, en flujo externo para diversas geometrías. La mayor parte de las correlaciones son función del número de Reynolds, el número de Prandtl y la geometría del cuerpo inmerso en el fluido. Además se asume que el sistema está en estado estacionario y que la distribución de temperatura no depende del tiempo y que el flujo es incompresible. La correlación usada para el flujo externo en la geometría sugerida para el problema es la siguiente:

Nu D =0.102 ℜ Esta correlación es válida para

3

5

10 < ℜ