SUPERFICIES EXTENDIDAS: SOLUCIÓN NUMÉRICA DE LA … · Conclusiones • Este tipo de aplicaciones...

SUP. EXTENDIDAS: Solución numérica mediante volúmenes finitosC. Casado, E.Schiavi, J.A.Calles Valencia 24 Enero 2014

Cintia CasadoEmanuele Schiavi

Jose Antonio Calles

SUPERFICIES EXTENDIDAS: SOLUCIÓN NUMÉRICA DE LA ECUACIÓN DE CONSERVACIÓN DE ENERGÍA

MEDIANTE VOLÚMENES FINITOS

Valencia, 24 de Enero de 2014

Escola Tècnica Superior d’EnginyeriaUniversitat de València


INDICE

1.‐ Introducción2.‐ Diseño 3.‐Mallado4.‐ Set‐up5.‐ Resultados régimen estacionario

Efecto velocidad del aireEfecto geometríaEfecto tamañoEfecto material

6.‐ Resultados régimen transitorio7.‐ Conclusiones


1. IntroducciónPRACTICA TRANSMISIÓN CALOR SUPERFICIES EXTENDIDAS

ASIGNATURA: Transmisión de calor, 2ºITI, 3ºIQ

OBJETIVO:

Análisis en el sólido y fluido• Resolver la ecuación de conservación de energía: sólido y fluido• Conservación de cantidad de movimiento y de materia al fluido

Solución numérica ec. transporte de calor

Calcular: Perfil de temperaturasFlujo de calor intercambiado entresuperficie extendida y el fluido que lorodea.

Superficie extendida / Aleta

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones


1. Introducción

Ley de Fourier:TkAQTkq

q: flujo de calor (J/m2·s) Q: caudal de calor (J/s) K: conductividad térmica (J/s·m·K) A: área transversal (m2) T: Tª en cada punto del sistema (K)h: coeficiente transmisión de calor

Conservación energía:

GTTktT

cp _2

SOLUCIÓN:•ExactaMétodos analíticos•AproximadaMétodos numéricos: elementos finitos, volúmenes finitos

SOFTWARE ANSYS 14.5 ANSYS 14.5

- Ansys FLUENT: hidrodinámica, transferencia de calor, reacciones químicas, radiación…- Aplicaciones: industria aeroespacial, industria química, industria energética, aplicaciones biomédicas…

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones

iBCON TThAQ Calor convección:


2. DiseñoAnsys Design Modeler

5 cm

2 cm

3 cm 2 cm

10 cm

Solido Superficie extendidaFluido Dominio rectangular (aire), mas largo que la sup. extendida

3 GEOMETRÍAS

Circular Rectangular Placa

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones


HexagonalTetraédrico

3. Mallado

Interfaz

Mallado conforme

Ansys Meshing

Volúmenes finitos

Ajustes del mallado:

• Tamaño de celdaManualNiveles resolución

• Tipo de celdas:(método mallado)

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones


0 1x105 2x105 3x105 4x105 5x105 6x105 7x105340

345

350

355

460

480

500

520

T al

calz

ada

extr

emo

(K)

Num. Celdas

Geometria grande D=5cm Geometria pequena D=1cm

0 1x105 2x105 3x105 4x105 5x105 6x105 7x105350

400

880

885

890

895

Fluj

o ca

lor i

nter

cam

biad

o (W

/m2 )

Num. Celdas

Geometria grande D=5cm Geometria pequena D=1cm

Ejemplo: Independencia mallado

Geometría Circular

Número de celdas > 300.000 para ambos tamaños

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones

3. Mallado


4. Set‐UpAnsys FLUENT

CONDICIONES DE CONTORNOSolidoLado caliente: Tª = 500 KLado frío: Extremo AdiabáticoPared: Interfaz (pared acoplada térmicamente)

FluidoEntrada:

Tª = 298 KVelocidad aire (0.01 ó 5m/s)

Salida: Outflow (flujo plenamente desarrollado)Resto paredes aire: simetría

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones


CRITERIOS CONVERGENCIA:

• Residuo: tolerancia especificada para ec.conservación discretas en todas las celdas.

• La medida del residuo y la convergencia dela solución numérica están relacionadas, perono es igual al error numérico.

• Monitorizar la variación de los resultados deinterés en diferentes superficies hasta queobtenga el mismo valor durante al menos 100iteraciones

Mal

4. Set‐UpOTRAS CONDICIONES

Fluido: Aire, régimen laminarMaterial sólido: Aluminio/AceroTiempo: Estacionario/ No estacionario

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones


5. Resultados: velocidad airePerfiles de velocidad sobre geometría circular

0.01 m/s 5 m/s

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones


Perfiles de temperatura sobre geometría circular

Vaire = 0.01 m/s Vaire = 5 m/s

0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10

300

350

400

450

500

Tem

pera

tura

pro

med

io (K

)

Posicion radial (m)

0.01 m/s Plano1 0.01 m/s Plano2 0.01 m/s Plano3 5 m/s Plano1 5 m/s Plano2 5 m/s Plano3

Velocidadaire

Calor intercambiado

W/m2Tª extremo (K)

0.01 m/s 495.83 496.855 m/s 5453.00 460.71

Temperatura radial en sólido y aire

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones

5. Resultados: velocidad aire


5. Resultados: geometría

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20400

420

440

460

480

500

Circular V 0.01m/s Placa V 0.01 m/s Rectangular V 0.01m/s Circular V 5 m/s Placa V 5m/s Rectangular V 5m/s

Tem

pera

tura

pro

med

io (K

)

Longitud geometria (m)

Perfiles temperaturaVaire = 0.01 m/s

Vaire = 5 m/s

Tª en la superficie extendida Temperatura en el sólidoÍndice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones

V=0.01 m/s V=5 m/sGeometría q (W/m2) Q (W) q (W/m2) Q (W)Circular 384.77 12.06 5152.81 161.80

Rectangular 495.83 9.92 5453.00 109.06Placa 311.18 14.94 4088.68 196.26


5 cm

2 cm

3 cm 2 cm

10 cm

1 cm 1 cm

0.5 cm 5 cm

0.5 cm

Disminución tamaño

Tamaño inicial

Longitud superficie extendida y dominio

aire constantes

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones

5. Resultados: tamaño


Circ.Grande Circ.Peq Rect.Grande Rect.Peq Placa.Grande Placa.Peq0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

Geometria

Temperatura extremo (K) Q intercambiado pared (W/m2)

5. Resultados: tamaño

Tª y Q intercambiado distintos tamaños

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones

Perfiles de temperatura geometría circular (Vaire=0.01 m/s)

12.1 W

5.6 W

9.9 W

3.8 W

14.9 W 10.6 W


Circ.Grande Circ.Peq Rect.Grande Rect.Peq Placa.Grande Placa.Peq0

100

200

300

400

500

600

700

T ex

trem

o al

eta

(K)

Geometria

Aluminio Acero

0 . 0 0 0 . 0 5 0 . 1 0 0 . 1 5 0 . 2 04 2 0

4 4 0

4 6 0

4 8 0

5 0 0

R e c t a n g u la r a lu m in io R e c t a n g u la r a c e r o

Tem

pera

tura

pro

med

io (K

)

L o n g i t u d g e o m e t r i a ( m )

5. Resultados: materialPerfiles de Tª geometría

rectangular (Vaire=0.01 m/s)Temperatura en el sólido

Tª alcanzada distintos materiales

AluminioK= 202.4 W/m K

AceroK= 16.27W/m K

Índice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones

12.1 W10.8 W 5.6 W

2.8 W

9.9 W7.7 W

3.8 W1.3 W

14.9 W13.1 W

10.6 W 6.3 W


6. Resultados transitorioÍndice

1. Introducción

2. Diseño

3. Mallado

4. Set-up

5. Resultados

Estacionario

- Velocidad aire

- Geometría

- Tamaño

- Material

6. Resultados

Transitorio

7. Conclusiones

Evolución Tª geometría circular (Vaire=0.01 m/s) durante 10 minutos

Paso temporal =1 s; 600 pasos temporales

Pinche aquí


Conclusiones

• Este tipo de aplicaciones informáticas hace mucho más interesante y comprensivo el estudio de la transmisión de calor a los alumnos.

• Introducción al software de simulación.• Posibilidad de estudiar sistemas complejos.• Posibilidad de hacer estudios paramétricos de manera sencilla.• Riesgo Uso del programa como “caja negra”.


Muchas Gracias por su Atención!!Muchas Gracias por su Atención!!


Cintia CasadoEmanuele Schiavi

Jose Antonio Calles

SUPERFICIES EXTENDIDAS: SOLUCIÓN NUMÉRICA DE LA ECUACIÓN DE CONSERVACIÓN DE ENERGÍA

MEDIANTE INCREMENTOS FINITOS

Valencia, 24 de Enero de 2014

Escola Tècnica Superior d’EnginyeriaUniversitat de València

SUPERFICIES EXTENDIDAS: SOLUCIÓN NUMÉRICA DE LA … · Conclusiones • Este tipo de aplicaciones...

Documents

Transcript of SUPERFICIES EXTENDIDAS: SOLUCIÓN NUMÉRICA DE LA … · Conclusiones • Este tipo de aplicaciones...