Dissertação
{en_GB=APPLICATION OF IMMERSED-BOUNDARY METHOD IN HEAT-TRANSFER PROBLEMS} {} EVALUATED
{pt=Este trabalho tem como objetivo estudar simulações térmicas usando o método de fronteira imersa no software SOL. Particularmente, na interpolação de variáveis térmicas relevantes da fronteira sólida para a fronteira IB. Dois métodos de interpolação são analisados, tendo capacidade de impor condições de fronteira de temperatura e de gradiente térmico. Os métodos são verificados para problemas de Taylor-Couette em 2D para baixo Reynolds e com transferência de calor, enquanto a sua ordem de precisão é verificada. Um estudo de robustez a alterações de malha é realizado em ambos os métodos implementados utilizando malhas estruturadas triangulares, quadriláteras e hexagonais. Os métodos são também testados usando malhas híbridas onde se observa a robustez do método quadrático desenvolvido. Esta metodologia verifica a inabilidade do método linear em lidar com malhas de conectividade arbitrária. O método de interpolação quadrática foi também usado para simular o escoamento sobre um cilindro com transferência de calor, estudando-se a amostragem de número de Nusselt ao longo da superfície sólida. Após melhoramentos ao método Neumann foram obtidos resultados concordantes com dados da literatura e com dados obtidos em simulações body fit desenvolvidas no SOL. De forma geral, este trabalho verificou o software SOL para escoamentos de Taylor-Couette com transferência de calor através de um método de fronteira imersa com precisão de segunda ordem, quer para condições de fronteira de Dirichlet quer de Neumann. Adicionalmente, provou-se capaz de resolver problemas mais complexos de transferência de calor em fronteira imersa com valores de Nusselt comparáveis à literatura., en=This work focuses on the thermal simulation capabilities of SOL using an immersed boundary method. In particular, on the interpolation of the relevant variables from the original solid boundary to the IB one. Two schemes for interpolation are studied, capable of imposing both temperature and heat flux temperature boundary conditions. The schemes are then verified for low-Reynolds 2D Taylor-Couette flow problems with heat transfer, while also having their theoretical order of accuracy verified. A mesh robustness study is conducted across both schemes and boundary conditions, using triangular, quadrilateral, and hexagonal meshes verifying full capability at handling these grid topologies. The methods are also employed in simulations using hybrid meshes, where the least squares interpolation method capabilities are demonstrated. This methodology proves that the linear method lacks the robustness necessary to handle grids with arbitrary connectivity. The least squares interpolation method was also used to simulate flow over a cylinder with heat transfer, employing sampling of Nusselt numbers across the surface of the solid boundary. After the introduction of enhancements to the Neumann interpolation method, the achieved results were concordant with the relevant literature and with the body fit simulations developed in SOL as a benchmark. Overall, this work verifies SOL for heat transfer Taylor-Couette flow simulations using the immersed boundary method for up to second order both for Dirichlet and Neumann boundary conditions. Furthermore, it proved capable of solving more complex boundary heat transfer problems, with a Nusselt number evolution comparable with the literature.}
julho 19, 2022, 17:0
Publicação
Obra sujeita a Direitos de Autor
Orientação
ORIENTADOR
Duarte Manuel Salvador Freire Silva de Albuquerque
Presidência do Departamento de Engenharia Mecânica
Investigador Principal