Resolución numérica de fenómenos convectivos con condiciones de contorno periódicas. Aplicación a aislamientos transparentes

• Autores: Marcos Oswaldo Quispe Flores
• Directores de la Tesis: Jordi Cadafalch Rabasa (dir. tes.), Asensio Oliva Llena (dir. tes.)
• Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2005
• Idioma: español
• ISBN: 84-689-1973-X
• Depósito Legal: B-28699-2005
• Tribunal Calificador de la Tesis: Valeriano Ruiz Hernández (presid.), Carlos David Pérez Segarra (secret.), Esteban Codina Macia (voc.), Enrique Velo García (voc.), Antonio Pascau Benito (voc.)
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: TDX
• Resumen

  • Se ha desarrollado una infraestructura numérica, que permite el estudio de problemas donde están presentes fenómenos periódicos espaciales, haciendo uso de dominios computacionales reducidos con condiciones de contorno periódicas. Se enfoca en particular el estudio de la convección natural del aire, numérica y experimentalmente, en estructuras honeycomb de tipo rectangular, de interés aplicativo en aislamientos transparentes para sistemas solares térmicos. Para abordar el estudio, la tesis se ha estructurado en tres bloques, cuyos contenidos abarcan:

    1) El estudio del tratamiento numérico de condiciones de contorno periódicas, en base al método de volúmenes finitos, estableciéndose estrategias adecuadas de transferencia de información entre contornos periódicos en una forma explícita. Los tratamientos se sustentan en dos procedimientos: (i) en estrategias que tratan directamente con el valor de las variables del problema sobre nodos de los volúmenes de control (ubicados en los contornos periódicos y en posiciones anexas al contorno) y (ii) en interpolaciones sobre los contornos periódicos utilizadas en el método multibloque: interpolaciones de tipo conservativas e interpolaciones matemáticas. Se proponen tres formulaciones: DIF (Direct Interpolation Formulation), EPF (Exact Position Formulation) y CTF (Conservative Treatment Formulation). En la formulación DIF la transferencia de información se basa en la aplicación de interpolaciones Lagrangianas, en la formulación EPF la información se transfiere nodo a nodo entre posiciones geométricamente semejantes, mientras que en la formulación CTF la transferencia de información se basa en forzar la conservación de los flujos físicos (masa, momento y energía). Las formulaciones son comparadas entre si. Para el análisis comparativo se reproduce un caso de la literatura científica, cuyos campos de velocidad y temperatura presentan un comportamiento periódico espacial. Los criterios de comparación se basan en la verificación de las soluciones numéricas obtenidas para cada formulación. Se resuelven otros casos con la finalidad de presentar nuevos detalles acerca del tratamiento de condiciones de contorno periódicas, en base a las metodologías propuestas.

    2) Se aborda el estudio numérico del comportamiento periódico del aire en cavidades alargadas e inclinadas 45º, en cuyo interior se ubica una estructura honeycomb de tipo rectangular. Se reproducen casos de la literatura científica, numéricos y experimentales, con la finalidad de verificar y validar el código numérico para geometrías específicas. Aprovechando la naturaleza periódica del flujo, se proponen expresiones matemáticas para representar el comportamiento periódico de las variables velocidad, temperatura y presión dinámica. Dichas expresiones fueron utilizadas como modelos para definir las condiciones de contorno periódicas aplicables a una celda de honeycomb. Se establecen estudios comparativos entre los resultados numéricos conseguidos sobre dominios computacionales completos y los obtenidos aplicando condiciones de contorno periódicas sobre dominios computacionales reducidos a una celda de honeycomb. Mediante un estudio específico, se demuestra la utilidad de las simulaciones numéricas para solucionar geometrías de interés tecnológico, próximas al aislamiento transparente para sistemas solares térmicos, aplicando condiciones de contorno periódicas en dominios computacionales reducidos.

    3) El estudio numérico de la convección natural del aire en una cavidad rectangular, con estructuras honeycomb en su interior. Se lleva a cabo la validación de los resultados numéricos, contrastando sus valores con resultados experimentales obtenidos en base a técnicas PIV (Particle Image Velocimetry), las cuales permitieron visualizar y cuantificar el campo de velocidades.

    Las simulaciones numéricas de todo el trabajo se basaron en el método de volúmenes finitos. Las ecuaciones gobernantes discretizadas fueron resueltas en forma segregada, utilizándose el algoritmo SIMPLEC. Las geometrías fueron discretizadas en base a mallas Cartesianas desplazadas. Los resultados numéricos fueron verificados a través de herramientas de post - proceso basadas en la extrapolación de Richardson generalizada y en el concepto del GCI (Grid Convergence Index).