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Título: Numerical investigation of natural convection of viscoplastic fluid in cavities filled by solid obstacles
Título(s) alternativo(s): Investigação numérica de convecção natural de fluido viscoplástico em cavidades preenchida por blocos sólidos
Autor(es): Santos, Paulo Rutemberg Madeira
Orientador(es): Franco, Admilson Teixeira
Palavras-chave: Calor - Convecção natural
Materiais porosos - Propriedades térmicas
Fluidodinâmica computacional
Viscosidade
Calor - Transmissão - Simulação por computador
Engenharia térmica - Modelos matemáticos
Reologia
Heat - Convection, Natural
Porous materials - Thermal properties
Computational fluid dynamics
Viscosity
Heat - Transmission - Computer simulation
Heat engineering - Mathematical models
Rheology
Data do documento: 16-Mai-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Curitiba
Citação: SANTOS, Paulo Rutemberg Madeira. Numerical investigation of natural convection of viscoplastic fluid in cavities filled by solid obstacles. 2025. Tese (Doutorado em Engenharia Mecânica e de Materiais) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2025.
Resumo: No presente estudo, três trabalhos científicos sobre a convecção natural de fluidos viscoplásticos em cavidades são propostos para compor a tese por coleção de Artigos. O primeiro trabalho analisa o processo de convecção natural de fluido modelado como fluido de Bingham em cavidades fechadas com paredes verticais aquecidas diferencialmente, superfícies horizontais adiabáticas e blocos sólidos quadrados inseridos representando um meio poroso. Constata-se que para altos valores de Bingham e baixos valores de Rayleigh, o número de Nusselt diminui, atingindo um valor limite, que depende da razão das condutividades térmicas do fluido e sólido e da quantidade de blocos próximos a superfície aquecida. Esse valor limite caracteriza a transferência de calor puramente por condução. Com o aumento do número de blocos observa-se um padrão no surgimento das regiões não cisalhadas dentro da cavidade, além disso o escoamento do fluido tende a migrar para o caminho menos resistivo, distanciando da região próxima às superfícies. No segundo artigo três geometrias abertas são analisadas para diferentes números de Rayleigh e Bingham. A superfície aquecida é paralela a abertura da cavidade e uma quantidade fixa de blocos sólidos dentro da cavidade representa o meio poroso. Os resultados mostram que as forças convectivas são mais intensas na cavidade voltada para lateral, o mesmo ocorre quando se compara com uma cavidade fechada. A transferência de calor na geometria com a cavidade voltada para baixo é predominantemente conduzida por condução pura em todos os casos simulados. Para baixos valores de Ra ou altos valores de Bn o escoamento do fluido ocorre fora da cavidade, adentrando apenas nos locais próximos a abertura, onde as deformações críticas são superadas. Enquanto que para altos valores de Ra ou baixos valores de Bn, verifica-se o efeito de canalização de escoamento dentro da cavidade. Explorando individualmente a geometria com abertura lateral, o terceiro artigo buscou variar parâmetros que ainda não foram investigados, como a porosidade, razão de condutividade térmica e o número de Brinkman. Os resultados demonstraram que a redução da porosidade e o aumento no número de blocos impactam significativamente o campo de escoamento e temperatura, promovendo a formação de regiões não cisalhadas e à transição do transporte de calor por convecção para condução. No geral, o aumento da condutividade térmica κ intensifica o número de Nusselt médio em casos em que a geometria se torna mais restritiva, com aumento da viscoplasticidade do fluido e o encurtamento da distância dos blocos sólidos até a superfície aquecida. Finalmente, os diagramas de escoamento e as correlações propostas ao longo da coletânea de artigos, permitem suas utilizações como ferramentas fundamentais para projetosem engenharia térmica envolvendo fluidos viscoplásticos e configurações geométricas complexas.
Abstract: In the present study, three scientific papers on the natural convection of viscoplastic fluids in cavities are proposed to compose the thesis by a collection of articles. The first paper analyzes the natural convection process of a fluid modeled as a Bingham fluid in closed cavities with differentially heated vertical walls, adiabatic horizontal surfaces, and inserted square solid blocks representing a porous medium. It is observed that for high Bingham values and low Rayleigh values, the Nusselt number decreases, reaching a limiting value that depends on the ratio of thermal conductivities between the fluid and solid and the number of blocks near the heated surface. This limiting value characterizes heat transfer purely by conduction. With an increase in the number of blocks, a pattern emerges in forming unyielded regions within the cavity. Additionally, the fluid flow tends to migrate towards the path of least resistance, moving away from regions near the surfaces. The second paper analyzes three open geometries for different Rayleigh and Bingham numbers. The heated surface is parallel to the cavity opening, and a fixed number of solid blocks within the cavity represent the porous medium. The results indicate that convective forces are more intense in the side-opened cavity than in a closed cavity. In all simulated cases, heat transfer in the downward-opened geometry is predominantly driven by pure conduction. For low Ra or high Bn values, fluid flow occurs outside the cavity, entering only near the opening, where critical deformations are exceeded. Conversely, a flow channeling effect within the cavity is observed for high Ra or low Bn values. Focusing individually on the side-opened geometry, the third paper investigates parameters that have not yet been explored, such as porosity, thermal conductivity ratio, and Brinkman number. The results demonstrate that reducing porosity and increasing the number of blocks significantly impact the flow and temperature fields, promoting the formation of unyielded regions and the transition of heat transport from convection to conduction. Overall, increasing the thermal conductivity (κ) enhances the average Nusselt number in cases where the geometry becomes more restrictive, with increased fluid viscoplasticity and a shorter distance between the solid blocks and the heated surface. Finally, the flow diagrams and correlations proposed throughout this collection of articles serve as fundamental tools for engineering designs involving viscoplastic fluids and complex geometric configurations in thermal systems.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/38865
Aparece nas coleções:CT - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica e de Materiais

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