Estudo numérico de um arranjo triangular de cilindros submetidos a escoamento laminar com convecção forçada

Resumo

O presente trabalho numérico estuda a transferência de calor por convecção forçada em um arranjo triangular de cilindros considerando um escoamento em regime laminar, bidimensional, incompressível, e transiente. A solução numérica (conservação de massa, quantidade de movimento e energia) foi obtida a partir de um código computacional baseado no método dos volumes finitos (FVM – Finite Volume Method). Para a otimização geométrica do arranjo de cilindros é empregado o Método Constructal Design. As simulações foram realizadas para escoamentos com números de Reynolds e Prandtl de Re_D = 100 e Pr = 0.71. A otimização parte da avaliação de qual razão S_T/D (passo transversal sobre o diâmetro) e S_L/D (passo longitudinal sobre o diâmetro) que minimiza o coeficiente de arrasto e maximiza a taxa de transferência de calor (número de Nusselt) entre os cilindros e o escoamento circundante. Os resultados mostraram que o comportamento fluidodinâmico e térmico foram bastante influenciados pelas razões S_T/D e S_L/D. O coeficiente de arrasto (C_D) mínimo foi encontrado para a configuração S_L/D = 5.0 e S_T/D = 1.5, e o máximo número de Nusselt (Nu_D) foi obtido para S_L/D = 1.5 e S_T/D = 5.5. Entretanto, os melhores arranjos considerando a função multi-objetivo (arrasto e transferência de calor) foram alcançados em uma região ótima e não para uma configuração específica. Dentre os casos analisados se destacaram as configurações S_L/D = 5.0 e S_T/D = 2.0 e S_L/D = 5.0 e S_T/D = 2.5, sendo que os dois primeiros valores trouxeram benefícios para o problema fluidodinâmico e os dois últimos valores apresentaram uma leve vantagem do ponto de vista térmico.