Simulación numérica del acoplamiento térmico entre dos flujos de cortadura separados por una pared corrugada

Un flujo incompresible tridimensional cortante, inducido por dos fluidos nonewtonianos separados por una pared conductora de calor con corrugaciones oblicuas periódicas, se puede investigar tanto teóricamente como numéricamente mediante la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes con la condición de no deslizamiento en la pared. El flujo de campo resultante se utiliza para investigar el acoplamiento térmico entre las dos corrientes mediante la resolución de la ecuación de la energía, obteniendo así el salto térmico aparente producido por el flujo de calor entre los dos fluidos en la pared. La relevancia del número de Reynolds de ambas corrientes se basa en la velocidad cortante, la longitud de onda de las corrugaciones y la viscosidad del fluido lejos de la pared. Esta última, es asumida lo suficientemente pequeña para que el flujo permanezca laminar y estacionario. Mediante un análisis detallado se puede mostrar que el efecto macroscópico de la pared equivale a una superficie plana con deslizamiento parcial, es decir, diferentes coeficientes de deslizamiento en dirección longitudinal y transversal a las corrugaciones, con una resistencia térmica aparente. Esta resistencia térmica aparente representa la resistencia intrínseca, asociada con el espesor de la pared finita y la conductividad, más la contribución adicional proveniente de las corrugaciones. Los coeficientes de deslizamiento y las resistencias térmicas efectivas de la pared son determinadas tanto para fluidos newtonianos como para fluidos no-newtonianos para el caso de corrugaciones sinusoidales. En la actualidad, este tipo de corrugaciones sinusoidales son las encontradas en un intercambiador de calor operando con fluidos no-newtonianos. Los resultados obtenidos podrían utilizarse como condiciones de contorno efectivas en una escala completa para simulaciones numéricas de intercambiadores de calor de placas, o de tubos concéntricos, para tener en cuenta el efecto de las corrugaciones de la pared de una manera efectiva computacionalmente. En el anexo III del presente proyecto, se muestra un ejemplo de un intercambiador real donde se tienen estas corrugaciones. La aplicación que motiva el interés de este estudio, es el problema del flujo de líquidos no-newtonianos en intercambiadores de calor para aplicaciones industriales y agro-alimentación. Los intercambiadores de calor comerciales son diseñados usando paredes onduladas en orden creciente a la tasa de transferencia de calor local para mejorar su eficiencia. Como ejemplo ilustrativo, se va a considerar el flujo de un fluido a través de una tubería ondulada de diámetro principal D. Se va a considerar además, una longitud de onda, λ, y una amplitud, h0, de las corrugaciones de pared que son pequeñas con el diámetro de la tubería, λ ~ h0 << D. A continuación, incluso si el número de Reynolds (ReD = ρUD/μ0), de la mayoría del flujo es grande, el número de Reynolds que caracteriza el flujo en los alrededores de la pared, Re = ρλuw/μ0 ~ ReD(λ/D)2 << ReD – basado en la longitud de onda, λ, la velocidad de cortadura, uw = λτw/μ0, y la viscosidad característica del fluido μ0 – ha de ser lo suficientemente pequeño para que el flujo ondulado cerca de la pared siga siendo laminar y estacionario.Ingeniería Industria