5.8 SIMULAÇÃO
5.8.2 DEFINIÇÃO DE GEOMETRIA
Com a área frontal do trocador de calor definida, pode-se projetar a geometria do trocador de calor a ser simulada . A área frontal se refere a área ocupada pelas aletas.
Além do núcleo do radiador, existem duas caixas de distribuição de água que também são feitas de alumínio. Essas caixas, por condições de fabricação, possuirão 25mm de altura, 50mm de largura e comprimento deve ser o mesmo comprimento do espaço ocupado pelas aletas e seus espaços vazios. Para calcular o comprimento das caixas de distribuição e da área frontal do trocador, utiliza-se o comprimento da aleta, 350mm e a área frontal calculada dividida por dois, pois serão dois trocadores de calor, igual a 0,1043𝑚2.
Figura 5.28: Esquemático para o cálculo do comprimento do trocador de calor.
𝐶 = 𝐴𝑓 𝑟𝑜𝑛𝑡𝑎𝑙 𝐿 𝐶 = 0,1043
0,350 𝐶 = 0,298𝑚
(5.56)
Com a geometria do trocador de calor definida, desenhou-se no software Solidworks uma placa plana com as dimensões da área fontral mostrada acima. Desenhou-se as caixas de distribuição de água com seus devidos valores. Por fim, desenhou-se dois dutos de ar utilizando as mesmas dimensões da área frontal do núcleo do radiador para a sessão
transversal dos dutos. Todos os componentes foram desenhados com geometrias sólidas.
Atribuiu-se nome às faces das peças e em suas junções para facilitar a identificação das passagens de fluido.
Importou-se a montagem realizada das peças para o STAR-CCM+, conforme a figura 5.29, e criou-se regiões e interfaces no software para a geometria.
Figura 5.29: Geometria da montagem importada para o STAR-CCM+.
Criou-se uma malha de volume para o radiador, e para isso ativou-se o modelo Surface Remesher para a superfície da malha e o Trimmer para a malha de volume. Para o refinamento da malha, criou-se uma forma de volume de bloco ao redor do núcleo. Após fazer todos os procedimentos para criar uma malha e definir os valores de customização, utilizou-se da função Gerar malha de volume. O resultado desse processo pode ser visto na figura 5.30.
Figura 5.30: Malha gerada para as geometrias.
Uma característica importante do software STAR-CCM+, é que ele requer a exis-tência de uma interface entre todas as regiões para transferir as quantidades apropriadas de massa e energia durante o cálculo. Neste ponto a região do núcleo do radiador é dupli-cada, o que é um requisito essencial para o modelo de trocador de calor no STAR-CCM+.
Algumas modificações das interfaces são necessárias para garantir que as regiões corre-tas sejam conectadas após a duplicação. Sendo assim, são criadas novas interfaces. Essa duplicação é necessária para caracterizar o fluxo cruzado entre a água e o ar.
O próximo passo seria caracterizar os fluidos em questão. No nóContinuada simu-lação são construídas as características do modelo físico matemático da água e do ar. As características em comum aos dois fluidos são: modelo tridimensional, regime permanente, fluxo segregado, equação de estado como densidade constante, regime viscoso turbulento (Reynolds médio e Navier-Stokes), modelo de turbulência K-epsilon e como modelo opci-onal, temperatura do fluido segregado. O que difere dos dois fluidos é o material, sendo um gás e o outro líquido.
Após definir os modelos físicos dos fluidos, atribuiu-se às suas regiões correspon-dentes. Com isso, na região de entrada de ar, foi selecionado o tipoEntrada de velocidade.
E nos tópicos Temperatura e Magnitude de velocidade, foram colocados os valores de 308K para temperatura estimada na pista em piracicaba e a velocidade de 75km/h como foi definido com o auxílio da tabela 5.5.
Para a região de entrada de água foram definidos o valor da vazão mássica de água, que nesse caso, para a rotação de 8000 rpm é igual a 0,2397𝑘𝑔/𝑠, e o valor da temperatura de entrada da água, 373K.
Tanto a região de saída do ar quanto a região de saída da água foram definidas como regiões de tomada de pressão.
Para caracterizar o fluxo cruzado, poderia-se escolher diversos métodos de apli-cação. Dentre eles o método pela definição dos coeficientes de porosidade. Este método consiste em simplificar a geometria a ser utilizada na simulação definindo os coeficientes de porosidade da superfície ao invés de desenhar perfeitamente as superfícies muito pe-quenas e exigir demais do hardware com o refinamento de malha, o que não seria possível dentro das limitações deste trabalho. Optou-se por definir os coeficientes de porosidade do núcleo do radiador por onde atravessa o ar e a porosidade dos canais delimitados pelas aletas por onde a água passa. É por esse motivo que o núcleo do radiador foi dividido em duas regiões iguais mas com propriedades diferentes. Um estudo dinâmico dos fluidos em questão poderia ser realizado para obtenção experimental ou analítico dos parâmetros de porosidade, porém, por delimitação de prazo de entrega de projeto optou-se por utilizar os coeficientes de porosidade tabelados no guia tutorial do STAR-CCM+ para um radiador comum com aletas de alumínio.
Definiu-se nas regiões do núcleo criadas o tipo de propriedade comoRegião Porosa e atribuiu-se os valores da tabela 5.6 para o tensor principal de resistência inercial porosa e o tensor principal de resistência viscosa porosa.
Tabela 5.6: Coeficientes de porosidade.
Tensor Principal de Resistência Inercial Porosa
Direção Região passagem de Ar Região passagem de água
Componente XX 10000𝑘𝑔/𝑚4 1e8 𝑘𝑔/𝑚4
Componente YY 1e4 𝑘𝑔/𝑚4 2e6 𝑘𝑔/𝑚4
Componente ZZ 90𝑘𝑔/𝑚4 1e8 𝑘𝑔/𝑚4
Tensor Principal de Resistência Viscosa Porosa
Direção Região passagem de Ar Região passagem de água
Componente XX 1e5 𝑘𝑔/𝑚3−𝑠 1e6 𝑘𝑔/𝑚3−𝑠
Componente YY 1e5 𝑘𝑔/𝑚3−𝑠 55000 𝑘𝑔/𝑚3 −𝑠
Componente ZZ 450 𝑘𝑔/𝑚3 −𝑠 1e6 𝑘𝑔/𝑚3−𝑠
Criou-se uma interface de trocador de calor e associou-se a região fria como a região do núcleo do radiador com passagem de ar e a região quente como a região do núcleo do radiador com passagem de água especificando a interface real do trocador de calor e utilizando a opção de fluxo duplo real para o método de permutador de calor.
Essa metodologia especificada no STAR-CCM+ utiliza valores de fluxo de energia calculados para a simulação, calculando a diferença de temperatura média e, portanto, o
calor correspondente para cada valor de vazão mássica de ar, vezes a área do trocador de calor. Salvou-se a tabela no formato .CSV e importou-a para a simulação no STAR-CCM+.
Nas especificações da interface do trocador de calor, alterou-se para a metodologia Tabela UAG, definindo-se os valores físicos nas propriedades da tabela para cada coluna relacionada da tabela importada.
Após finalizar a montagem da simulação, criou-se cenas, gráficos de monitoramento da simulação e gráficos com soluções. Iniciou-se a simulação e ao convergir obteve-se os seguintes resultados.
Figura 5.31: Gradientes de temperatura sobre uma seção do duto de ar e uma seção cruzada do radiador.
Observa-se na figura 5.31 uma cena com dois planos seccionados, uma seção central do duto de ar e outra seção em corte do radiador, onde há uma distribuição do gradiente de temperatura. Na seção de transição da troca de calor nota-se que o ar retira calor gra-dativamente do radiador conforme atravessa-o. No radiador, é evidente que a temperatura da água na entrada do trocador de calor é superior à da saída. Com o gráfico da figura 5.32, pode-se analisar o comportamento dos fluidos a cada iteração.
Figura 5.32: Gráfico de temperatura de saída da água e do ar.
Após cento e quarenta iterações, as temperaturas de saída dos fluidos permanecem constante atingindo a permanência. A diferença de temperatura simulada entre a entrada de água e a saída de água em apenas um radiador é de 12,54∘C. Alterando-se as condições iniciais da simulação para simular a passagem de água no outro radiador, em que a temperatura de entrada de água seria a mesma temperatura de saída do primeiro radiador, observa-se a mesma diferença de temperatura. Sendo assim, a diferença de temperatura do sistema completo simulada é de 25,08∘C. Nota-se que a diferença de temperatura simulada é cerca de 16% maior do que a diferença de temperatura obtida pela aquisição de dados realizada anteriormente. Visto que o modelo computacional simulado é próximo ao de um radiador ideal, o valor encontrado para a diferença de temperatura está bem próximo de um modelo real que possui o valor para área frontal do trocador de calor não muito distante da calculada neste projeto e opera em condições similares às que foram simuladas. Com isso, finaliza-se o ciclo da etapa do projeto termo-hidráulico e inicia-se a fase da metodologia adotada destinada ao projeto mecânico.