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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10198/467

Título: Simulação do escoamento não isotérmico de fluidos não-newtonianos em canais convergentes/divergentes
Autor: Fernandes, Carla S.
Palavras-chave: Iogurte
Permutador de calor de placas
Reologia computacional
Issue Date: 2003
Editora: Universidade do Minho
Citação: Fernandes, Carla S. - Simulação do escoamento não isotérmico de fluidos não-newtonianos em canais convergentes-divergentes. Braga : Universidade do Minho, 2003. Tese de Mestrado em Matemática e Aplicações à Mecânica.
Resumo: Este trabalho teve como objectivo simular numericamente o escoamento em estado estacionário de iogurte no interior de um canal pertencente a um permutador de placas. A simulação consistiu na resolução simultânea de três problemas: dois de condução de calor através das placas em aço inox e um de fluxo não-isotérmico do iogurte no canal referido. A simulação foi efectuada recorrendo ao software POLYFLOW, utilizando este o método de elementos finitos na resolução das equações de Navier-Stokes. Na fase inicial do trabalho construiu-se o domínio geométrico do problema, sendo este constituído por três elementos tridimensionais: placa superior, placa inferior e canal por elas delimitado. As placas apresentavam um conjunto de corrugações, tendo-se definido a sua geometria recorrendo a uma função sinusoidal. Posteriormente, efectuou-se a discretização do domínio, obtendo-se uma malha com um total de 161474 elementos (tetraédricos, hexaédricos, prismas e pirâmides) e 34373 nós. O iogurte apresentava um comportamento Não-Newtoniano, sendo a sua viscosidade descrita pelo produto da lei da potência e lei de Arrhenius. Devido ao baixo valor do índice de fluxo e alto valor da energia de activação, estes parâmetros conduziam a dificuldades na convergência das simulações efectuadas. Para a resolução das dificuldades de convergência citadas, utilizou-se o método das iterações de Picard no respeitante ao índice de fluxo e um processo evolutivo na energia de activação. Foi utilizada como condição de fronteira um fluxo de calor variável ao longo das placas para descrever o calor perdido pelo iogurte ao longo das mesmas. Esta condição fronteira foi deduzida recorrendo a dados experimentais. Os dados experimentais disponíveis, nomeadamente temperatura do iogurte à saída do canal, permitiram verificar a validade dos pressupostos considerados nas simulações.
This work aimed to simulate yogurt steady-state flow on a channel belonging to a plate heat exchanger. Three problems were numerically solved simultaneously : two problems of heat conduction in the plates and a problem of non-isothermal flow in the referred channel. The simulation was carried out recurring to the software POLYFLOW, wich uses the finite element method to solve the Navier-Stokes equations. The geometrical domain was created, being constituted by three three-dimensional components: superior plate, inferior and channel formed by the plates. It was implemented a sinusoidal function to describe the corrugation of the plates. A mesh constituted by tetrahedral, hexahedral, pyramidal and wedge elements was found appropriate, being obtained 161474 elements and 34373 nodes in the considered geometrical domain. The yogurt had a Non-Newtonian behavior, being the viscosity described by the product of the power law and Arrhenius equation. Due to the low value of the flow behavior index and the high value of activation energy, some convergence difficulties were observed. Picard iteration method (flow behavior index) and an evolution procedure (activation energy) were used to solve the referred problems. A variable heat flux along the plates was used as thermal boundary condition, being established recurring to experimental data. The available experimental data, namely the outflow yogurt temperature, allowed to verify the validity of the established simulation method.
URI: http://hdl.handle.net/10198/467
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