ESTUDIO COMPARATIVO SOBRE MODELOS DE TURBULENCIA EN FLUJO DE REFRIGERANTES CON BAJO GWP EN EL INTERIOR DE MICROCANALES
DOI:
https://doi.org/10.23881/idupbo.021.1-6iPalabras clave:
Turbulencia, Microcanales, Numérico, Caída de Presión, Transferencia de CalorResumen
Este artículo se trata de una evaluación de modelos de turbulencia para la predicción de la pérdida de presión y el coeficiente de transferencia de calor durante el flujo de refrigerantes con bajo GWP en el interior de microcanales. En este estudio, características de mecánica de fluidos y transferencia de calor se simulan incorporando condiciones de flujo turbulento en un microcanal circular de 1.1 mm de diámetro. Los modelos de turbulencia con las formulaciones k - ε y k - ω son evaluados para números de Reynolds hasta 10000 y son implementados computacionalmente en el software OpenFoam. Los perfiles de velocidad, factores de fricción y números de Nusselt son calculados y analizados en función de variables paramétricas. Los resultados numéricos son validados con métodos de predicción analíticos y con datos experimentales medidos en trabajos previos para flujos de R134a, R1234fy, R1234ze(E) y R600a. La variación de la caída de presión y coeficiente de transferencia de calor convectivo son analizados de acuerdo al efecto al tipo de fluido y al modelo de turbulencia empleado. Los resultados indican que los modelos describen cualitativamente el comportamiento del flujo y la transferencia de calor en condiciones de turbulencia. Cuantitativamente, los modelos Low-Re k -ε, k - ω estándar y k - ω SST presentan mejores predicciones para las variables de interés. Por otro lado, el modelo Low-Re k - ε presenta el menor error medio absoluto.Descargas
Referencias
Y. Zhai, G. Xia, Z. Chen, and Z. Li, “Micro-PIV study of flow and the formation of vortex in micro heat sinks with cavities and ribs,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 98, pp. 380–389, 2016, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.03.044.
M. Ciofalo, J. Stasiek, and M. W. Collins, “Investigation corrugated of flow and heat transfer Numerical simulations,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 39, no. 1, pp. 165–192, 1996.
D. Xu, T. Y. Ng, L. S. Pan, K. Y. Lam, and H. Li, “Numerical simulations of fully developed turbulent liquid flows in micro tubes,” J. Micromechanics Microengineering, vol. 11, no. 3, pp. 175–180, 2001, doi: 10.1088/0960-1317/11/3/303.
P. Asinari, “Numerical prediction of turbulent convective heat transfer in mini/micro channels for carbon dioxide at supercritical pressure,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 48, no. 18, pp. 3864–3879, 2005, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.03.028.
M. K. Sung and I. Mudawar, “Experimental and numerical investigation of single-phase heat transfer using a hybrid jet-impingement/micro-channel cooling scheme,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 49, no. 3–4, pp. 682–694, 2006, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.08.021.
S. Blonski, P. M. Korczyk, and T. A. Kowalewski, “Analysis of turbulence in a micro-channel emulsifier,” Int. J. Therm. Sci., vol. 46, no. 11, pp. 1126–1141, 2007, doi: 10.1016/j.ijthermalsci.2007.01.028.
D. F. Sempértegui-Tapia and G. Ribatski, “Flow boiling heat transfer of R134a and low GWP refrigerants in a horizontal micro-scale channel,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 108, pp. 2417–2432, 2017, doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.01.036.
F. S. Lien and M. A. Leschziner, “A pressure-velocity solution strategy for compressible flow and its application to shock/boundary-layer interaction using second-moment turbulence closure,” J. Fluids Eng. Trans. ASME, vol. 115, no. 4, pp. 717–725, 1993, doi: 10.1115/1.2910204.
B. E. Launder and D. B. Spalding, “The numerical computation of turbulent flows,” Comput. Methods Appl. Mech. Eng., vol. 3, pp. 269–289, 1974, doi: 10.1007/JHEP10(2012)057.
V. Yakhot, S. A. Orszag, S. Thangam, T. B. Gatski, and C. G. Speziale, “Development of turbulence models for shear flows by a double expansion technique,” Phys. Fluids A, vol. 4, no. 7, pp. 1510–1520, 1992, doi: 10.1063/1.858424.
T. H. Shih, W. W. Liou, A. Shabbir, Z. Yang, and J. Zhu, “A new k-ε eddy viscosity model for high Reynolds number turbulent flows,” Comput. Fluids, vol. 24, no. 3, pp. 227–238, 1995, doi: 10.1007/978-3-319-27386-0_7.
D. C. Wilcox, “Formulation of the k-ω turbulence model revisited,” AIAA J., vol. 46, no. 11, pp. 2823–2838, 2008, doi: 10.2514/1.36541.
F. R. Menter, “Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications,” AIAA J., vol. 32, no. 8, pp. 1598–1605, 1994, doi: 10.2514/3.12149.
F. R. Menter and T. Esch, “Elements of industrial heat transfer predictions,” 16th Brazilian Congr. Mech. Eng., 2001.
R. A. W. M. Henkes, F. F. Van Der Vlugt, and C. J. Hoogendoorn, “Natural-convection flow in a square cavity calculated with low-Reynolds-number turbulence models,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 34, no. 2, pp. 377–388, 1991, doi: 10.1016/0017-9310(91)90258-G.
D. F. Sempértegui-Tapia and G. Ribatski, “Two-phase frictional pressure drop in horizontal micro-scale channels : Experimental data analysis and prediction method development,” Int. J. Refrig., vol. 79, pp. 143–163, 2017, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2017.03.024.
D. F. Sempértegui-Tapia, J. De Oliveira Alves, and G. Ribatski, “Two-Phase flow characteristics during convective boiling of halocarbon refrigerants inside horizontal small-diameter tubes,” Heat Transf. Eng., vol. 34, no. 13, pp. 1073–1087, Oct. 2013, doi: 10.1080/01457632.2013.763543.
H. K. Versteeg and W. Malalasekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The finite VOlume Method, 2nd ed., vol. 2nd Editio. 2007.
R. Siegel, E. M. Sparrow, and T. M. Hallman, “Steady laminar heat transfer in a circular tube with prescribed wall heat flux,” Appl. Sci. Res. Sect. A, vol. 7, no. 5, pp. 386–392, 1958, doi: 10.1007/BF03184999.
H. Blasius, “Das ahnlichkeitsgesetz bei reibungsvorg/ingen in fltissigkeiten,” Forschg. Arb. Ing. Wes., vol. 131, 1913.
T. M. Adams, S. I. Abdel-Khalik, S. M. Jeter, and Z. H. Qureshi, “An experimental investigation of single-phase forced convection in microchannels,” Int. J. Heat Mass Transf., vol. 41, no. 6–7, pp. 851–857, 1998, doi: 10.1016/S0017-9310(97)00180-4.
Archivos adicionales
Publicado
Cómo citar
Número
Sección
Licencia
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución-NoComercial-CompartirIgual 4.0.
Reconocimiento-NoComercial-CompartirIgual
CC BY-NC-SA
Esta licencia permite a otros entremezclar, ajustar y construir a partir de su obra con fines no comerciales, siempre y cuando le reconozcan la autoría y sus nuevas creaciones estén bajo una licencia con los mismos términos.
Los autores pueden realizar acuerdos contractuales adicionales separados para la distribución no exclusiva de la versión publicada del artículo publicado en la revista (por ejemplo, publicarlo en un repositorio institucional o en un libro), sujeto a un reconocimiento de su publicación inicial en esta revista