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Project FAPDF Cooling System

12 de Fevereiro de 2017, 15:50 , por Olexiy Shynkarenko - | Ninguém está seguindo este artigo ainda.
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Investigação do Resfriamento de Paredes Metálicas por Spray Líquido para Aplicações Aeroespaciais

(2015 - 2017)

Grant source: FAPDF (R$ 30.000,00)

Team: Dr. Carlos Alberto Gurgel Veras, MSc. Artur Elias de Moraes Bertoldi, Dr. Olexiy Shynkarenko, Dr. Artem Andrianov, Dr. Jungpyo Lee

Abstract: O problema do resfriamento de superfícies quentes é de interesse de diferentes nichos da indústria, assim sendo, o seu estudo é de relevante interesse não só no campo acadêmico, mas também para aplicações tecnológicas. Escoamentos multifásicos e transferência de calor têm sido amplamente estabelecidos em quase todos os aspectos dos campos da ciência e da engenharia, tais como: engenharia mecânica, química, petroquímica, engenharia nuclear, engenharia de materiais, engenharia de minas, eletrônica, microeletrônica, ciências biomédicas, engenharia espacial, entre outras. Com o rápido desenvolvimento de várias tecnologias relevantes, a pesquisa de escoamentos multifásicos e transferência de calor vêm crescendo muito rapidamente.

Neste contexto, esse trabalho propõe um estudo científico baseado em metodologia analítica, numérica e experimental da aplicação de spray multifásico para o arrefecimento de superfícies metálicas planas aquecidas. As técnicas numérico-experimentais aqui utilizadas não só impactam nas aplicações para indústria aeroespacial, que vem se desenvolvendo no país, mas também podem ser aplicadas em várias áreas, como, por exemplo, na indústria alimentícia e eletrônica, cujos desafios envolvem o armazenamento e dissipação de energia térmica. A colisão ou o impacto de um spray em direção a uma superfície alvo pode ser expressa de diferentes formas. A grandeza mais útil quanto ao desempenho do bocal do spray (spray nozzle) é o impacto por área. Basicamente, este valor depende do padrão de distribuição e do ângulo do spray. Para obter o impacto por unidade de área (força por área quadrada) de um dado bocal primeiramente determinamos o impacto total teórico.

Neste contexto, a metodologia desse trabalho é focada em uma abordagem numérico-experimental para o estudo de filmes líquidos multifásicos para resfriamento de superfícies metálicas. A fase teórica da pesquisa é dividida em duas etapas. Primeiro, os processos de cálculo do fenômeno da atomização dos filmes líquidos, que já são bem estabelecidos pela academia, serão simulados utilizando método de dinâmica dos fluídos computacional, Computational Fluid Dynamics (CFD) para a fase da dinâmica do escoamento, quebra primária e secundária. Na sequência, para o estudo do arrefecimento brusco de superfícies metálicas existem, aplicado ao problema abordado por esse trabalho, três modelos: (a) condução e convecção associada com o contato da gota com a superfície aquecida; (b) convecção associada com o fluxo de massa de ar e o resfriamento da gota na camada limite térmica e (c) radiação na superfície.

Nesta pesquisa, devido a questões de custo computacional, optou-se pela aproximação Lagrangeana para fase discreta (nesse caso água) e a aproximação Euclidiana para fase contínua (definida para ser ar). No caso do estudo da fase de quebra do spray, as equações governantes na aproximação Lagrangeana-Euclidiana para a fase líquida são as equações de continuidade e de conservação do momento. Para a simulação da quebra primária serão utilizados os modelos BLOB e LISA (Linear Instability Sheet Atomization) e para a quebra secundária será utilizado os modelos Reitzand-Diwakar and TAB (Taylor Analogy Breakup).

Para o estudo da interação entre o spray multifásico e a superfície aquecida será realizada uma análise analítico-numérica. Quando superfícies são aquecidas até o fluxo de calor crítico (ebulição nucleada), o processo de transferência de calor para o spray é chamado de transferência de calor por contato líquido. Isto se deve ao fato que as gotas estão em contato contínuo ou semi-contínuo com a superfície aquecida. Neste caso, a taxa de transferência de calor na superfície é máxima. Quando a superfície é aquecida até a temperatura de Leidenfrost, a transferência de calor pelo spray é denominada de transferência de calor por contato não líquido. Isto corresponde ao caso onde, depois de um curto período do contato das gotas com a superfície, uma camada de película é gerada rapidamente entre as gotas e a superfície prevenindo futuros contatos diretos.

A metodologia numérica aplicada nessa pesquisa será confrontada com testes experimentais realizados no Campus do Gama da Universidade de Brasília, que possui as ferramentas numéricas e a estrutura para a realização da pesquisa experimental.

Os testes experimentais serão realizados em algumas etapas: (i) Caracterização hidrodinâmica do spray; (ii) Medidas da transferência de calor; (iii) Análise dos dados experimentais. Todos os testes serão realizados com injetores comerciais utilizando água como agente de arrefecimento. A superfície a ser resfriada será composta de uma chapa plana de aço inox. A escolha desse material baseia-se no fato de que as partes críticas a serem refrigeradas nos motores de foguete híbrido e líquido são manufaturadas com esse material, tais como: câmara de combustão e bocal de exaustão dos gases. Paralelamente, o aço inox também é aplicado em muitos campos da indústria.