Un modelo completamente resuelto de flujo compresible con cambio de fase dentro de un tubo de calor de termofluido: validación y análisis predictivo
Autores: Mahjoub, Hammouda; Lataoui, Zied; Benselama, Adel M.; Bertin, Yves; Jemni, Abdelmajid
Idioma: Inglés
Editor: MDPI
Año: 2025
Acceso abierto
Artículo científico
2025
Un modelo completamente resuelto de flujo compresible con cambio de fase dentro de un tubo de calor de termofluido: validación y análisis predictivo
Categoría
Ingeniería y Tecnología
Subcategoría
Ingeniería Mecánica
Palabras clave
Tuberías de calor de termoflujo
Conductividad térmica
Investigación numérica
Fluidos de trabajo
Modelo CFD
Resistencia térmica
Licencia
CC BY-SA – Atribución – Compartir Igual
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Citaciones: Sin citaciones
Los tubos de calor por termosyphon (THPs) se emplean cada vez más en aplicaciones avanzadas de gestión térmica debido a su alta conductividad térmica, diseño compacto y operación pasiva. En este estudio, se realizó una investigación numérica sobre un termosyphon de cobre o aluminio cargado con diferentes fluidos de trabajo, siendo el metanol el caso de referencia. Se implementó un modelo CFD compresible bidimensional en OpenFOAM, acoplando el método de Volumen de Fluido (VOF) con una formulación híbrida de cambio de fase que integra los enfoques de Lee y Tanasawa. Esto proporciona, de hecho, un equilibrio entre la eficiencia computacional y la fidelidad física. El flujo de vapor, considerado como un gas ideal, se asumió como compresible. Se aplicó el algoritmo isoAdvector como técnica de reconstrucción para mejorar la captura de interfaces, reducir oscilaciones espurias y corrientes parásitas, y asegurar una simulación más realista de los fenómenos de ebullición y condensación. Se analizó la dependencia del rendimiento en parámetros operativos como el ángulo de inclinación, la relación de llenado de líquido y las propiedades termofísicas del fluido de trabajo. Las predicciones numéricas se validaron contra mediciones experimentales obtenidas de un banco de pruebas dedicado, mostrando discrepancias por debajo del 3% en operación vertical. Este trabajo proporciona nuevas perspectivas sobre la influencia acoplada de la orientación, el inventario de fluido y las propiedades del fluido de trabajo en el comportamiento del THP. Más allá de la validación experimental, establece un marco computacional robusto para predecir fenómenos de transferencia de calor y masa en dos fases al linealizar y tratar los términos involucrados en los balances que deben satisfacerse implícitamente. Los resultados revelan una fuerte interacción entre el ángulo de inclinación y la relación de llenado en la determinación de la resistencia térmica total. A bajas relaciones de llenado, la operación vertical condujo a un retorno de líquido insuficiente y aumentó la resistencia, mientras que las orientaciones inclinadas mejoraron la dispersión del líquido y promovieron una evaporación más eficiente. Se identificó un rango óptimo de relación de llenado del 40-60%, minimizando la resistencia térmica a través de los fluidos de trabajo. En contraste, una carga excesiva de líquido redujo el espacio de vapor y degradó el rendimiento debido a la restricción del flujo y la inundación por evaporación.
Descripción
Los tubos de calor por termosyphon (THPs) se emplean cada vez más en aplicaciones avanzadas de gestión térmica debido a su alta conductividad térmica, diseño compacto y operación pasiva. En este estudio, se realizó una investigación numérica sobre un termosyphon de cobre o aluminio cargado con diferentes fluidos de trabajo, siendo el metanol el caso de referencia. Se implementó un modelo CFD compresible bidimensional en OpenFOAM, acoplando el método de Volumen de Fluido (VOF) con una formulación híbrida de cambio de fase que integra los enfoques de Lee y Tanasawa. Esto proporciona, de hecho, un equilibrio entre la eficiencia computacional y la fidelidad física. El flujo de vapor, considerado como un gas ideal, se asumió como compresible. Se aplicó el algoritmo isoAdvector como técnica de reconstrucción para mejorar la captura de interfaces, reducir oscilaciones espurias y corrientes parásitas, y asegurar una simulación más realista de los fenómenos de ebullición y condensación. Se analizó la dependencia del rendimiento en parámetros operativos como el ángulo de inclinación, la relación de llenado de líquido y las propiedades termofísicas del fluido de trabajo. Las predicciones numéricas se validaron contra mediciones experimentales obtenidas de un banco de pruebas dedicado, mostrando discrepancias por debajo del 3% en operación vertical. Este trabajo proporciona nuevas perspectivas sobre la influencia acoplada de la orientación, el inventario de fluido y las propiedades del fluido de trabajo en el comportamiento del THP. Más allá de la validación experimental, establece un marco computacional robusto para predecir fenómenos de transferencia de calor y masa en dos fases al linealizar y tratar los términos involucrados en los balances que deben satisfacerse implícitamente. Los resultados revelan una fuerte interacción entre el ángulo de inclinación y la relación de llenado en la determinación de la resistencia térmica total. A bajas relaciones de llenado, la operación vertical condujo a un retorno de líquido insuficiente y aumentó la resistencia, mientras que las orientaciones inclinadas mejoraron la dispersión del líquido y promovieron una evaporación más eficiente. Se identificó un rango óptimo de relación de llenado del 40-60%, minimizando la resistencia térmica a través de los fluidos de trabajo. En contraste, una carga excesiva de líquido redujo el espacio de vapor y degradó el rendimiento debido a la restricción del flujo y la inundación por evaporación.