Modelo Fluido Dinámico – Térmico Acoplado Entre Fluido Y Contornos Sólidos

Abstract

El modelado numérico de problemas industriales en los que interviene un fluido
generalmente requiere la obtención de la distribución de velocidades y de temperatura en el mismo.
En otras ocasiones es importante conocer la interacción térmica entre un fluido y un sólido. Además,
algunas veces el problema industrial involucra contornos móviles como ser rodillos rotando o
láminas las cuales imprimen un movimiento sobre el fluido y a su vez intercambian calor con el
mismo.
En este trabajo se desarrolla un modelo fluido dinámico térmico acoplado entre fluido y los
contornos sólidos. El modelo es validado con ejemplos sencillos y aplicado a un caso industrial.
La implementación por elementos finitos se lleva a cabo usando elementos isoparamétricos con
interpolación lineal de velocidades y temperaturas. La condición de incompresibilidad en el fluido se
impone mediante la técnica de penalización y el modelo mixl o el modelo k-ε estándar se utilizan para
tener en cuenta los efectos de la turbulencia, empleando el algoritmo k-L predictor / ε corrector para
la convergencia de las ecuaciones turbulentas. La transmisión del movimiento de los contornos
sólidos al fluido se realiza mediante la aplicación de tensiones tangenciales sobre el fluido obtenido
de la solución de las leyes logarítmicas de pared.
El intercambio calórico convectivo entre fluido y los contornos sólidos se realiza mediante la ley de
enfriamiento de Newton donde el coeficiente de transferencia de calor por convección se calcula
utilizando las funciones de pared térmicas, las cuales tienen en cuenta el perfil de temperatura en la
capa límite.
El dominio computacional considerado para el fluido es menor al dominio físico ocupado por el
mismo. Por ello las mallas utilizadas para el modelado del fluido y de los contornos sólidos son
mallas independientes. El acoplamiento entre ambos problemas se logra mediante un mapeo
automático del contorno de una malla sobre otra. Luego se prueban dos formas de resolución, una
resolviendo el problema térmico acoplado del fluido y el sólido en forma escalonada hasta lograr la
convergencia y otra considerando el problema en su totalidad y calculando simultáneamente el campo
de temperaturas en ambos dominios.