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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Numerical investigation of the effects of coupled radiative heat transfer on free turbulent jets of water vapor : Investigação numérica dos efeitos da radiação térmica acoplada a jatos turbulentos livres de vapor de água
Title Alternative: Investigação numérica dos efeitos da radiação térmica acoplada a jatos turbulentos livres de vapor de água
Author: Armengol, Jan Mateu, 1988-
Advisor: Santos, Rogério Gonçalves dos, 1978-
Abstract: Resumo: A radiação desempenha um papel importante em uma ampla gama de aplicações de engenharia térmica inclusive em escoamentos turbulentos. A crescente necessidade de precisão e confiabilidade nas simulações numéricas para apoiar as etapas de design nesse contexto é a principal motivação da presente tese. De especial interesse neste trabalho são os escoamentos livres e o entendimento fundamental de como a radiação pode modificar a dinâmica e o transporte de calor, assim como as flutuações turbulentas destes podem alterar a transferência de calor por radiação nesse tipo de escoamentos. Com o fim de desenvolver e validar modelos para as interações radiaçãoturbulência, o objetivo da presente tese é fornecer dados de alta fidelidade de jatos turbulentos livres acoplados à radiação térmica. Assim, os jatos livres turbulentos são descritos por simulações numéricas diretas (DNS) acopladas a um método de Monte Carlo recíproco para resolver a equação de transferência radioativa. A dependência espectral das propriedades radioativas é modelada com o método Correlated-k. O estudo numérico é realizado com essas ferramentas numéricas para ser o mais representativo possível de um jato real em um meio participante. A simulação é otimizada em termos de tempo de processamento aproveitando um método de aceleração chamado Acustic Speed Reduction e injetando turbulência artificial para melhorar as fronteiras de entrada do escoamento. Duas simulações diretas de jatos aquecidos acoplados a radiação térmica são realizadas. Por um lado, um jato aquecido com radiação moderada é simulado. A análise de seus dados DNS acoplados de alta fidelidade permitiu derivar uma nova lei de escala para o decaimento do perfil de temperatura. Essa lei de escala compensa os efeitos na densidade devidos à radiação moderada. Além disso, permite distinguir se a radiação térmica modifica ou não a natureza dos mecanismos de transferência de calor na região desenvolvida do jato. Por outro lado, um jato livre fortemente aquecido é resolvido para quantificar os efeitos da radiação nos campos médios de temperatura e velocidade, bem como nos momentos de segunda ordem. Além dos dados do DNS acoplado, um solver RANS para escoamentos de densidade variável acoplado à radiação térmica foi implementado durante o curso desta tese. O objetivo é quantificar diretamente a precisão dos modelos turbulentos existentes e identificar os principais parâmetros para modelagem das interações no acoplamento

Abstract: Radiation plays an important role in a broad range of thermal engineering applications comprising turbulent flows. The growing need for accurate and reliable numerical simulations to support the design stages of such applications is the main motivation of this thesis. Of special interest in this work are the free-shear flows and the fundamental understanding of how radiation can modify their fluid dynamics and heat transport as well as how their turbulence fluctuations can alter radiative transfer. The goal of this thesis is to provide high-fidelity data of turbulent free jets coupled with thermal radiation in order to develop and validate free-shear turbulent models accounting for coupling interactions. To this end, turbulent free jets are described by direct numerical simulations (DNS) coupled to a reciprocal Monte-Carlo method to solve the radiative transfer equation. The spectral dependency of the radiative properties is accounted for with an accurate Correlated-k method. The numerical study is carried out with state-of-the-art fidelity to be as representative as possible of an actual jet in a participating medium. The simulation is optimized in terms of processing time taking advantage of an acceleration method called Acoustic Speed Reduction and by injecting artificial turbulence to enhance inlet boundaries. Two direct simulations of heated jets coupled with thermal radiation are carried out. On the one hand, a heated jet with moderate radiation is simulated. The analysis of its high-fidelity coupled DNS data has allowed to derive a new scaling law for the decay of the temperature profile. This scaling accounts for the effects of modified density due to moderate radiation. Moreover, it allows for distinguishing whether thermal radiation modifies the nature of heat transfer mechanisms in the jet developed region or not. On the other hand, a strongly heated free jet is computed in order to quantify the effects of radiation on mean temperature and velocity fields as well as on second order moments. Besides the coupled DNS data, a RANS solver for variable-density flows coupled with thermal radiation has been implemented during the course of this thesis. The goal is to directly quantify the accuracy of the existing turbulent models, and to identify key parameters for further modeling of coupling interactions
Subject: Dinâmica de fluídos
Radiação - Transferência
Monte Carlo, Método de
Language: Inglês
Editor: [s.n.]
Citation: ARMENGOL, Jan Mateu. Numerical investigation of the effects of coupled radiative heat transfer on free turbulent jets of water vapor: Investigação numérica dos efeitos da radiação térmica acoplada a jatos turbulentos livres de vapor de água. 2019. 1 recurso online (285 p.). Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP. Disponível em: http://www.repositorio.unicamp.br/handle/REPOSIP/335130. Acesso em: 1 out. 2019.
Date Issue: 2019
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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