Simulación Numérica de la Transferencia de Calor por Convección Natural y Radiación Combinadas en Cavidades Calentadas desde Abajo

Abstract

En este trabajo se ha simulado numéricamente un proceso de transferencia de calor por conducción, convección y radiación combinadas en una cavidad cuadrada bidimensional rellena de aire a diferentes temperaturas que absorbe, emite y dispersa isotrópicamente la radiación térmica. Se han considerado siete diferentes temperaturas de referencias T0 = 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600 K,
cuatro números de Rayleigh, Ra = 103, 104, 105, 106 y seis coeficientes de absorción κ = 0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 m-1, . Todas las cavidades poseen la pared superior fría, a la temperatura de referencia, y la pared inferior caliente, la temperatura de referencia más 10 K. Las paredes laterales son adiabáticas. De esta manera, la diferencia de temperaturas entre la pared inferior y superior se mantiene constante a 10 K y solo se modifica la temperatura de referencia de la pared superior, fría.
Además, desde el punto de vista de la radiación, las paredes se consideran opacas, grises y difusas.
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 cual ha sido extensamente usado en problemas de convección y solo recientemente se ha extendido su uso a problemas de radiación térmica. 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 de referencia y del coeficiente de absorción 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 la pared inferior. El dominio espacial bidimensional ha sido discretizado utilizando volúmenes de control cuadriláteros y el dominio angular se ha discretizado en un número finitos de ángulos de control. Las soluciones obtenidas han sido comparadas con resultados
publicados, 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.