Investigación Numérica de la Transferencia de Calor Conjugada y la Convección Natural Usando el Método Lattice-Boltzmann para Propiedades Termofísicas Realistas
Autores: Landl, Michael; Prieler, René; Monaco, Ernesto; Hochenauer, Christoph
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2023
Acceso abierto
Artículo científico
2023
Investigación Numérica de la Transferencia de Calor Conjugada y la Convección Natural Usando el Método Lattice-Boltzmann para Propiedades Termofísicas Realistas
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Método de Lattice-Boltzmann
Propiedades termofísicas
Transferencia de calor conjugada
Método de volúmenes finitos
Tiempo de relajación del fluido
Propiedades realistas
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Para permitir que el método de Lattice-Boltzmann (LBM) tenga en cuenta propiedades termofísicas que son constantes en el tiempo pero variables en el espacio, se deben realizar modificaciones. Recientemente, han surgido muchos métodos que pueden tener en cuenta la transferencia de calor conjugada (CHT). Sin embargo, todavía hay una falta de información sobre el posible rango de propiedades físicas en relación con propiedades realistas. Por lo tanto, se investigaron dos casos de prueba para obtener más información. Primero, se utilizó una cavidad calentada diferencialmente llena de bloques para investigar la influencia de la CHT en el error y la estabilidad de las simulaciones de LBM. Se llevaron a cabo simulaciones de referencia del método de volúmenes finitos (FVM) para estimar el error. Se encontró que se recomienda un rango entre 0.5 y 1.5 para el tiempo de relajación del fluido para equilibrar el esfuerzo computacional, la estabilidad y la precisión. Además, se seleccionaron propiedades termofísicas realistas de fluidos y sólidos para probar si el método de Lattice-Boltzmann es adecuado para simular aplicaciones relevantes en la industria. Para una simulación estable, se necesitó una malla con 64 veces más redes para el caso de prueba más extremo. El segundo caso de prueba fue una cavidad aislada con una almohadilla calefactora como fuente de calor local, que se investigó en términos de la precisión de una simulación transitoria y se comparó con una simulación FVM. Se encontró que el tiempo de relajación de la fase fluida determina principalmente el error y que grandes tiempos de relajación térmica para el sólido mejoran la precisión. Las desviaciones observadas de las simulaciones de referencia de FVM variaron desde aproximadamente el 20% hasta menos del 1%, dependiendo del operador de colisión y la combinación de tiempos de relajación. Para procesos con una gran dispersión de temperatura, las propiedades termofísicas constantes en el tiempo del LBM son la principal restricción.
Descripción
Para permitir que el método de Lattice-Boltzmann (LBM) tenga en cuenta propiedades termofísicas que son constantes en el tiempo pero variables en el espacio, se deben realizar modificaciones. Recientemente, han surgido muchos métodos que pueden tener en cuenta la transferencia de calor conjugada (CHT). Sin embargo, todavía hay una falta de información sobre el posible rango de propiedades físicas en relación con propiedades realistas. Por lo tanto, se investigaron dos casos de prueba para obtener más información. Primero, se utilizó una cavidad calentada diferencialmente llena de bloques para investigar la influencia de la CHT en el error y la estabilidad de las simulaciones de LBM. Se llevaron a cabo simulaciones de referencia del método de volúmenes finitos (FVM) para estimar el error. Se encontró que se recomienda un rango entre 0.5 y 1.5 para el tiempo de relajación del fluido para equilibrar el esfuerzo computacional, la estabilidad y la precisión. Además, se seleccionaron propiedades termofísicas realistas de fluidos y sólidos para probar si el método de Lattice-Boltzmann es adecuado para simular aplicaciones relevantes en la industria. Para una simulación estable, se necesitó una malla con 64 veces más redes para el caso de prueba más extremo. El segundo caso de prueba fue una cavidad aislada con una almohadilla calefactora como fuente de calor local, que se investigó en términos de la precisión de una simulación transitoria y se comparó con una simulación FVM. Se encontró que el tiempo de relajación de la fase fluida determina principalmente el error y que grandes tiempos de relajación térmica para el sólido mejoran la precisión. Las desviaciones observadas de las simulaciones de referencia de FVM variaron desde aproximadamente el 20% hasta menos del 1%, dependiendo del operador de colisión y la combinación de tiempos de relajación. Para procesos con una gran dispersión de temperatura, las propiedades termofísicas constantes en el tiempo del LBM son la principal restricción.