Análisis de la Transferencia de Calor por Convección Natural y Radiación Combinadas en Cavidades Bidimensionales

Abstract

En este trabajo se ha simulado numéricamente un proceso de transferencia de calor por conducción, convección y radiación combinadas en una cavidad bidimensional rellena de aire a diferentes temperaturas que absorbe, emite y dispersa isotrópicamente la radiación térmica. Se han estudiado (i) una cavidad cuadrada, (ii) una cavidad con paredes inferior y superior horizontales, y paredes laterales inclinadas a 45º y (iii) una cavidad con paredes inferior y superior inclinadas 45º y las paredes laterales verticales. Además, se han considerado tres diferentes temperaturas de referencias, 300 K, 400 K y 500 K, tres números de Rayleigh, 104, 105, 106 y dos coeficientes de absorción 0.1 y 1.0. Todas las cavidades poseen la pared lateral derecha fría, a la temperatura de referencia, y la pared lateral izquierda caliente, la temperatura de referencia más 10 K. Las paredes superior e inferior son adiabáticas. De esta manera la diferencia de temperaturas entre las paredes laterales se mantiene constante a 10 K y solo se modifica la temperatura de referencia de la pared derecha, fría. Además, las paredes se consideran grises, opacas y difusas. Las propiedades físicas del aire se han considerado variables con la temperatura de referencia. Para realizar la simulación numérica se ha utilizado el método de los volúmenes finitos el cual ha sido extensamente usado en problemas de convección y solo recientemente se ha extendido su uso a problemas de radiación térmica. El procedimiento numérico ha sido implementado en un programa de computadora que fue utilizado para obtener los resultados presentados en este trabajo. Se ha analizado la influencia de la temperatura de referencia y del coeficiente de absorción en las isotermas, líneas de corriente, contornos de velocidad horizontal y vertical, perfiles de velocidad y temperatura en las secciones medias horizontal y vertical. También se han analizado las distribuciones de flujo de calor y los flujos de calor medio en las paredes laterales. El dominio espacial bidimensional ha sido discretizado utilizando volúmenes de control cuadriláteros y el dominio angular se ha discretizado en un numero finitos de ángulos de control. Las soluciones obtenidas han sido comparadas con resultados publicados, el análisis muestra que las soluciones presentadas en este trabajo son correctas y pueden ser extendidas a situaciones más complejas con un amplio margen de seguridad.