El documento describe la simulación por computadora del impacto de un chorro de fluido contra una pared caliente, con el objetivo de maximizar la transferencia de calor. Se estudian varios casos, variando el ancho del canal y el ángulo de inclinación del chorro, y se compara el coeficiente de transferencia de calor en cada caso.

1. Transferencia de calor de un Jet de impacto Alumnos: Juan Fernández del Valle Leonardo Henríquez Cancino Máximo León Ganem Profesor: Álvaro Valencia Departamento de Ingenieria Mecanica Universidad de Chile

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. Enfriamiento de álabes de turbina Aplicaciones

8. Aplicaciones Enfriamiento de paredes de caldera en la industria (reducción de contaminantes)

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

10. 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)

11. 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 ).

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

13. Formulación Matemática Las ecuaciones que gobiernan el sistema son: Conservación de masa: Conservación de momentum: Conservación de energía:

14. Formulación Matemática Al adecuar las ecuaciones a los volúmenes de control, se tiene las siguientes ecuaciones en su forma integral: Continuidad Momentum Energía

15. Formulación Matemática Discretizando las ecuaciones a los volúmenes de control se obtiene lo siguiente: Continuidad Momentum en u

16. Formulación Matemática Momentum en v Energía

17. 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.

18. Parámetros de Diseño Esquema del jet

19. 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.

20. 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

21. 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)

22. Resultados y Comparación con el Artículo t * =1.0 t = 7.75 X 10 -3 [s]

23. Resultados y Comparación con el Artículo

24. Resultados y Comparación con el Artículo t * =4.0 t = 3.1 X 10 -2 [s]

25. Resultados y Comparación con el Artículo

26. Resultados y Comparación con el Artículo t * =12.0 t = 9.3 X 10 -2 [s]

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.

29. Análisis de Resultados Se estudiaron las siguientes variaciones: Se cambio el ancho original del canal a 2[cm] y 6[cm]. Se cambio el fluido original (aire) por agua. Se cambio el ángulo de la boquilla.

30. Análisis de Resultados Caso Base Fluido : Aire. Ancho del canal : 4 [cm]. Ángulo de la boquilla : 0º. aire 1.29 [m/s] 4 [cm] 4 [cm] 8 [cm] 1 [cm] 8 [cm] 300 [ºK] 1200 [ºK]

31. Análisis de Resultados Caso Base Vectores de velocidad t = 0,08 [s] t = 0,208 [s] t = 0,538 [s] figura figura figura

32. Análisis de Resultados Caso Base Contorno de Temperaturas t = 0,08 [s] t = 0,208 [s] t = 0,538 [s] figura figura figura

33. Análisis de Resultados Caso Base Coeficientes de Transferencia de Calor t = 0,08 [s] t = 0,208 [s] t = 0,538 [s] figura figura figura

34. Análisis de Resultados Ancho 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 Resultados Ancho 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 Resultados Ancho 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 Resultados Ancho 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 Resultados Ancho 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 Resultados Ancho 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 Resultados Caso Base con Agua Vectores de Velocidad t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

41. Análisis de Resultados Caso Base con Agua Contornos de Temperaturas t = 0,08 [s] t = 0,20 [s] t = 0,4 [s] figura figura figura

42. Análisis de Resultados Caso 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 Resultados con Agua y Ancho 2[cm] 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 Resultados con Agua y Ancho 2[cm] 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 Resultados con Agua y Ancho 2[cm] 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 Resultados con Agua y Ancho 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

47. Análisis de Resultados con Agua y Ancho 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

48. Análisis de Resultados con Agua y Ancho 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

49. 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.

55. 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

59. 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

60. 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 h [W/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 .

63. 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.