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Título: Análise numérica de escoamento por convecção natural limitada por paredes
Título(s) alternativo(s): Numerical analysis of natural convection flow limited by walls
Autor(es): Silva, Fellipe Nauan Nascimento
Orientador(es): Lourenço, Marcos Antonio de Souza
Palavras-chave: Calor - Convecção natural
Análise volumétrica
Escoamento
Heat - Convection, Natural
Volumetric analysis
Runoff
Data do documento: 9-Dez-2025
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Cornelio Procopio
Citação: SILVA, Fellipe Nauan Nascimento. Análise numérica de escoamento por convecção natural limitada por paredes. 2025. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2025.
Resumo: No presente trabalho, foi investigado problema da convecção natural em uma cavidade cúbica. A partir dos resultados determinados, foi possível compreender como a dinâmica do escoamento do ar se comporta em diferentes regimes, a partir do emprego de simulações numéricas. A metodologia empregada consistiu em simular o escoamento no interior da cavidade, limitada por paredes com temperaturas distintas, usando a aproximação de Boussinesq, para modelar o movimento do fluido. Em uma primeira análise, foram variados os parâmetros para atingir os números de Rayleigh (Ra) de 104, 106 e 109 e gerada a malha (30x30x30, 40x40x40 e 50x50x50 células) em cada valor para garantir a precisão dos resultados. Nossas descobertas indicam uma clara transição de regime com o aumento do Ra. Em Ra=10, o escoamento é laminar e estável. Para Ra=106, observamos o surgimento de vórtices e padrões de escoamento mais complexos, o que indica um aumento significativo na intensidade da convecção. Já em Ra=10°, o escoamento se torna altamente turbulento e caótico, dominando completamente a transferência de calor em relação à condução. Estes resultados confirmam o comportamento físico esperado e demonstram a capacidade do modelo numérico em capturar fenômenos complexos. O estudo é relevante para aplicações práticas como o projeto de sistemas de resfriamento em eletrônicos e a otimização de coletores solares, onde a compreensão precisa da convecção natural é crucial para um design eficiente e seguro.
Abstract: In our research, we investigated natural convection in a cubic cavity, a fundamental problem in heat transfer and fluid dynamics. The main objective is to understand the behavior of airflow dynamics across different regimes, utilizing Ansys software for numerical simulations. The methodology employed consists of simulating the cavity, bounded by walls at distinct temperatures, using the Boussinesq approximation to model fluid motion. In a preliminary analysis, we varied parameters to reach specific Rayleigh numbers (Ra) of 104, 106 and 109 and refined the simulation mesh (30x30x30, 40x40x40, and 50x50x50 cells) to ensure result accuracy. Our findings indicate a clear regime transition with increasing Ra. At Ra=10', the flow is laminar and stable. For Ra=10°, we observe the emergence of vortices and more complex flow patterns, indicating a significant increase in convection intensity. At Ra=10°, the flow becomes highly turbulent and chaotic, completely dominating heat transfer over conduction. These results confirm expected physical behavior and demonstrate the numerical model's capability to capture complex phenomena. This study is relevant for practical applications such as the design of electronic cooling systems and the optimization of solar collectors, where a precise understanding of natural convection is crucial for efficient and safe design.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/39739
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