Soluciones Benchmark para el Problema de la Transferencia de Calor por Convección Natural en Cavidades Bidimensionales a Diferentes Temperaturas

Abstract

En este trabajo se ha simulado numéricamente un proceso de transferencia de calor por convección natural laminar en cavidades bidimensionales rellenas con aire a diferentes temperaturas. Se han estudiado (i) una cavidad cuadrada, (ii) una cavidad con paredes inferior y superior horizontales, y paredes laterales inclinadas a 45o y (iii) una cavidad con paredes inferior y superior inclinadas 45o y las paredes laterales verticales. Además, se han considerado tres diferentes temperaturas de referencias, 300 K, 400 K y 500 K y tres números de Rayleigh, 104, 105, 106. Todas las cavidades poseen la pared lateral derecha fría, a la temperatura de referencia, y la pared lateral izquierda caliente, la temperatura de referencia más 10 K. Las paredes superior e inferior son adiabáticas. De esta manera la diferencia de temperaturas entre las paredes laterales se mantiene constante a 10 K y solo se modifica la temperatura de referencia de la pared derecha, fría. Las propiedades físicas del aire se han considerado variables con la temperatura de referencia. Para realizar la simulación numérica se ha utilizado el método de los volúmenes finitos. El procedimiento numérico ha sido implementado en un programa de computadora que fue utilizado para obtener los resultados presentados en este trabajo. Se ha analizado la influencia de la temperatura en las isotermas, líneas de corriente, contornos de velocidad horizontal y vertical, perfiles de velocidad y temperatura en las secciones medias horizontal y vertical. También se han analizado las distribuciones de flujo de calor y los flujos de calor medio en las paredes laterales. Las soluciones obtenidas han sido comparadas con resultados publicados y el análisis muestra que las soluciones presentadas en este trabajo son correctas y pueden ser extendidas a situaciones más complejas con un amplio margen de seguridad.