Simulação numérica da transferência de calor por convecção natural em uma cavidade quadrada com inserções porosas

Abstract

Este trabalho é um estudo preliminar e trata da investigação da convecção natural em cavidades retangulares preenchidas total ou parcialmente com material poroso, sob condições de desequilíbrio térmico local. São apresentadas simulações numéricas para o escoamento laminar em regime permanente, com base em uma formulação macroscópica das equações de transporte. As equações da conservação da massa, quantidade de movimento e energia são escritas para um volume elementar representativo, resultando em um conjunto de equações válidas para todo o domínio computacional. Essas equações são discretizadas utilizando o método dos volumes de controle, e o sistema resultante de equações algébricas é resolvido pelo procedimento semi-implícito de Stone. O acoplamento pressão-velocidade é feito através do algoritmo SIMPLE. Resultados de benchmarks consolidados na literatura são comparados com soluções numéricas de escoamento laminar obtidas neste trabalho. Foram realizados testes de independência de malha para avaliar a influência do refinamento espacial sobre as variáveis de interesse. São apresentados os campos de temperatura e as linhas de corrente correspondentes às fases fluida e sólida, permitindo a visualização detalhada dos padrões de escoamento e da distribuição térmica sob diferentes condições de contorno. Também são apresentados os valores do número de Nusselt médio na parede aquecida, obtidos a partir do modelo macroscópico, para diversos números de Darcy. Por fim, é apresentado um estudo de sensibilidade em relação ao número de Rayleigh e à porosidade.