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Tipo do documento: Dissertação
Título: Solução do problema de Graetz conjugado em um duto ortotrópico por transformada integral
Título(s) alternativo(s): Solution of the conjugated Graetz problem in an orthotropic duct by integral transforms
Autor: Silva, Lucas Coelho da 
Primeiro orientador: Chalhub, Daniel José Nahid Mansur
Primeiro membro da banca: Anjos, Gustavo Rabello dos
Segundo membro da banca: Costa Filho, Manoel Antonio da Fonseca
Terceiro membro da banca: Sphaier, Leandro Alcoforado
Resumo: Na área de estudos de simulação para transferência de calor em dutos, este trabalho propõe uma comparação entre estratégias de solução híbrida para resolver a transferência de calor conjugada em um duto com escoamento axissimétrico feito de um material ortotrópico, em que propriedades mecânicas variam nas duas direções principais. O problema apresenta um domínio único. O regime adotado é o permanente, sem variação de propriedades com o tempo. O trabalho visa a análise da distribuição do número de Nusselt para os casos simulados e analisar a taxa de convergência do número de Nusselt com a metodologia da Técnica da Transformada Integral Generalizada. O perfil de temperatura do duto também é determinado. O efeito da difusão axial no problema também foi estudado e considerado, variando o número de Péclet. Resultados gráficos foram criados para a melhor visualização do perfil das curvas de Nusselt. Várias tabelas foram criadas para indicar a mudança de comportamento da taxa de convergência de acordo com a variação dos parâmetros adimensionais. Foram criadas tabelas de comparação e validação dos resultados desse trabalho com os resultados publicados na literatura existente. Por meio de operações matemáticas, uma formulação generalizada é definida e os resultados podem ser estudados e analisados. A formulação é simplificada pelas hipóteses do problema e adimensionalizada. Para o problema proposto, algumas condições de contorno foram adotadas e também adimensionalizadas, entre elas a de 3o tipo, também conhecida como condição de Robin ou condição de contorno de convecção. Considera-se também temperatura prescrita inicial na entrada do canal, temperatura finita longe da entrada e variação da temperatura no centro do duto nula devido a simetria axial do problema. Usando a Técnica da Transformada Integral Generalizada (GITT) em combinação com um problema auxiliar, que no caso é o problema de autovalor de Bessel, na qual a solução procurada é escrita em termos de autofunções ortogonais originadas de um problema de Sturm-Liouville, os autovalores são calculados por um método numérico. Embora a transformação do problema original leve a um sistema de Equações Diferenciais Ordinárias (EDO) acoplado, neste trabalho é utilizado um método matricial analítico, no qual a solução é obtida em termos de autovalores e autovetores de uma matriz envolvendo os coeficientes de acoplamento do sistema de EDOs. Assim, a única implementação numérica necessária é o cálculo dos autovalores e autovetores da matriz coeficiente mencionada anteriormente. Ao final é possível determinar os resultados, obter o perfil de temperatura e também o comportamento do número de Nusselt. Pelos resultados, a GITT se mostrou eficiente pela análise de convergência, piores taxas foram encontradas na entrada do canal, o valor de Péclet influencia na forma como o escoamento se desenvolve termicamente, assim como Biot e a razão de aspecto do duto, e conforme Péclet aumenta, Nusselt se aproxima da solução para o caso sem difusão axial, como esperado.
Abstract: In the realm of simulation studies for heat transfer in ducts, this paper proposes a comparison between hybrid solution strategies for solving the conjugate heat transfer in a duct made of an orthotropic material with axisymmetric ow, which mechanical properties vary in the two main directions. The problem has a single domain. The permanent regime has been considered for this problem with no variaton of properties with the time. The work aims to analyze Nusselt number distribution for the simulated cases and analyze Nusselt convergence rate with Generalized Integral Transform Technique. The duct temperature profile is also determined. The axial diffusion effect was also studied and considered, varying Péclet number. Graphic results were created for better visualization of Nusselt behaviour profile. Several tables were created to indicate the modification of convergence rate according to variation of dimensionless parameters. Tables of comparison and validation purposes were created to compare with results published in literature. Through mathematical operations, a generalized formulation is defined and the results can be studied and analyzed. The formulation is simplified by hypothesis and dimensionless parameters. For the proposed work, some boundary conditions were adopted e and also replaced by dimensionless parameters, as the third kind condition, most known as Robin condition or convection boundary condition. There is also an initial temperature at the channel entrance, a finite temperature far from the entrance and no variation of temperature at the duct center due the axial symmetry of the problem. Using the Generalized Integral Transform Technique(GITT) in combination with an auxiliary problem, represented by Bessel eigenvalue problem, which the required solution is written in terms of orthogonal eigenfunctions of a Sturm-Liouville problem, the eigenvalues are calculated by a numerical method. Although the original problem transformation takes to a coupled ordinary differential equations system(ODE), in this work is used an analytical matrix method, which the solution is obtained in terms of eigenvalues and eigenvectors from a matrix involving the coupling coeficients of the ODEs system. Thus, only one numerical implementation is necessary, that is the calculation of eigenvalues and eigenvectors from the coeficient matrix mentioned. At the end, is possible to determine the results, to obtain the temperature profile and also the Nusselt number behaviour. By the results, GITT is an eficient technique according to the convergence analysis, worse rates were found in the channel entrance, Peclet value in uences the way as the ow develops thermally, as well as Biot and the duct aspect ratio, and as Peclet raises, Nusselt approaches the solution for the case with no axial diffusion, as expected.
Palavras-chave: Mechanical Engineering
Thermodynamics
Axisymmetric ow
Orthotropic material
Conjugate Heat Transfer
Generalized Integral Transform Technique
Engenharia mecânica
Termodinâmica
Escoamento axissimétrico
Material ortotrópico
Transferência de calor conjugada
Técnica da Transformada Integral Generalizada
Área(s) do CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
Idioma: por
País: BR
Instituição: Universidade do Estado do Rio de Janeiro
Sigla da instituição: UERJ
Departamento: Centro de Tecnologia e Ciências::Faculdade de Engenharia
Programa: Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica
Citação: SILVA, Lucas Coelho da. Solução do problema de Graetz conjugado em um duto ortotrópico por transformada integral. 2017. 110 f. Dissertação (Mestrado em Fenômenos de transporte; Mecânica dos sólidos) - Universidade do Estado do Rio de Janeiro, Rio de Janeiro, 2017.
Tipo de acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.bdtd.uerj.br/handle/1/11734
Data de defesa: 29-Ago-2017
Aparece nas coleções:Mestrado em Engenharia Mecânica

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