Dissertação (mestrado)O presente estudo numérico consiste em avaliar a forma geométrica de um arranjo
triangular de cilindros submetidos a escoamentos transientes, bi-dimensionais,
incompressíveis, laminares e com convecção mista por meios do Design Construtal, além do
efeito do número de Richardson sobre o escoamento. A forma do arranjo foi escolhida, a fim
de simular os arranjos escalonados de cilindros presentes em equipamentos térmicos comuns a
embarcações, procurando-se diminuir o peso e custo dos equipamentos a bordo. As simulações
foram realizadas para escoamentos com números de Reynolds e Prandtl, de 100 e 0,71,
respectivamente, avaliando-se três diferentes números de Richardson: Ri = 0,1; 1,0 e 10,0. As
equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia foram resolvidas com
o uso do método de volumes finitos (MVF). A área ocupada pelos cilindros é uma restrição
geométrica do problema e os cilindros têm o mesmo diâmetro. O principal objetivo é avaliar a
influência do Ri sobre o coeficiente de arrasto (CD) e o número de Nusselt (NuD) entre os
cilindros e o escoamento circundante, bem como obter as geometrias ótimas do problema
multiobjetivo (fluidodinâmico e térmico). Foram simulados casos com a razão SL/D = 1,5; 2,0;
2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5 e 5,0 (passo longitudinal sobre o diâmetro) e os mesmos valores foram
usados para a razão ST/D (passo transversal sobre o diâmetro). Os resultados mostraram que o
aumento do número de Richardson levou a um crescimento das magnitudes do coeficiente de
arrasto (CD) e número de Nusselt (NuD). Além disso, houve uma mudança significativa no
comportamento das camadas limites térmicas e de velocidades com o aumento Ri que alterou
o efeito da razão ST/D e SL/D em CD e NuD. Foram apresentados os resultados ótimos para os
valores de Ri = 0,1; 1,0 e 10,0, além de comentários sobre as diferenças de comportamento dos
escoamentos. Não há um comportamento ótimo universal para o escoamento, já que a
geometria se adapta ao mecanismo motriz aplicado ao arranjo de cilindros.This numerical study is to assess the geometric shape of a triangular arrangement of
circular cylinders submitted to transient, two-dimensional, incompressible, laminar and mixed
convective flows by means of Construtal Design, in addition to evaluate the effect of the
Richardson number on the flow. The shape of the arrangement was choses in order to simulate
the staggered arrangement of cylinders present in heating plants common to boats, seeking to
decrease the weight and cost of the equipment on board. The simulations were performed for
Reynolds and Prandtl numbers, 100 and 0,71, respectively, evaluating three different numbers
of Richardson: Ri = 0,1; 1,0 and 10,0. The mass conservation equations, momentum and energy
were resolved using the finite volume method (FVM - English: Finite Volume Method). The
area occupied by the cylinder is a geometric constraint problem and the cylinders have the same
diameter. The main purpose is to evaluate the effect of Richardson number over the drag
coefficient (CD) and Nusselt number (NuD) between the cylinders and the surrounding flow, as
well as, and get the optimal geometry of the multi-objective problem (fluid dynamic and
thermal). Were simulated cases with the ratio SL/D = 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5; 4,0; 4,5 and 5,0
(ratio between longitudinal pitch and the cylinders diameter) and the same values were used
for the ratio ST/D (ratio between transversal pitch and the cylinders diameter). The results
showed that the increase in Richardson number led to an increase of the magnitude of the drag
coefficient (CD) and the Nusselt number (NuD). In addition, there was a significant change in
the behavior of thermal and velocity layers with the increase in Ri that alter the effect of ST/D
and SL/D ratios in CD e NuD. Optimal results for Ri = 0,1; 1,0 and 10,0 were presented as well
as comments on the differences in the flow behavior with different parameters. There is no
universal optimum behavior for the flow, since the geometry adapts to the driving mechanism
applied to the cylinder arrangement
