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Una Evaluación Integral de Modelos de Turbulencia para Predecir la Transferencia de Calor en Flujo Turbulento por Canal a Través de Diversos Regímenes de Número de Prandtl

Autores: Liu, Liyuan; Ahmed, Umair; Chakraborty, Nilanjan

Idioma: Inglés

Editor: MDPI

Año: 2024

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Acceso abierto

Artículo científico
2024

Una Evaluación Integral de Modelos de Turbulencia para Predecir la Transferencia de Calor en Flujo Turbulento por Canal a Través de Diversos Regímenes de Número de Prandtl


Categoría

Ingeniería y Tecnología

Subcategoría

Ingeniería Mecánica

Palabras clave

Transferencia de calor turbulenta
Flujos en canales
Modelos RANS
Números de Reynolds
Números de Prandtl
Modelos de viscosidad de Eddy

Licencia

CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual

Consultas: 1

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Descripción
La transferencia de calor turbulenta en flujos de canal es un área importante de investigación debido a su geometría simple y diversas aplicaciones industriales. Los modelos de Navier-Stokes promediados por Reynolds (RANS) son la metodología de simulación más asequible y a menudo son la única opción viable para investigar flujos industriales. Sin embargo, la modelización precisa de flujos limitados por paredes es un desafío en RANS, y la evaluación del rendimiento de los modelos RANS para el flujo turbulento de canal calentado no se ha investigado suficientemente para un amplio rango de números de Reynolds y Prandtl. En este estudio, se evalúan cinco modelos RANS por su capacidad para predecir la transferencia de calor en flujos de canal a través de un amplio rango de números de Reynolds y Prandtl (Pr) comparando los resultados de RANS con respecto a los datos de Simulación Numérica Directa correspondientes. Los modelos incluyen tres Modelos de Viscosidad de Eddy (EVM): el estándar k-, el k-LS de bajo número de Reynolds y el k-SST, así como dos Modelos de Estrés de Reynolds (RSM): los modelos de Launder-Reece-Rodi y Speziale-Sarkar-Gatski. El estudio analiza los efectos del número de Reynolds en la transferencia de calor turbulenta en un flujo de canal a un Pr de 0.71 para valores del número de Reynolds de fricción de 180, 395, 640 y 1020. Los resultados muestran que todos los modelos predicen con precisión la velocidad en todos los números de Reynolds, pero la precisión de la predicción de la temperatura media disminuye con el aumento del número de Reynolds para todos los modelos, excepto para el modelo k-SST. El estudio también analiza los efectos de Pr en la transferencia de calor turbulenta en un flujo de canal con valores de Pr entre 0.025 y 10.0. Se realiza un análisis de errores sobre los resultados obtenidos de diferentes modelos de turbulencia, y se muestra que el modelo k-SST tiene el menor error en las predicciones de la temperatura media y el número de Nusselt para flujos de alto número de Prandtl, mientras que el modelo k-LS de bajo número de Reynolds muestra los menores errores para flujos de bajo número de Prandtl a diferentes números de Reynolds. Se utiliza una solución analítica para identificar los efectos de Pr en la convección forzada en un flujo de canal en tres regímenes diferentes: región analítica, región de transición y región dominada por difusión turbulenta. Estos regímenes son útiles para discutir la validez de los modelos en relación con Pr. Los hallazgos de este artículo proporcionan información sobre el rendimiento de diferentes modelos RANS para las predicciones de transferencia de calor en un flujo de canal.

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