Simulación numérica del campo de flujo de una cavidad rectangular bajo condiciones de convección natural mediante volúmenes finitos

Abstract

El siguiente documento presenta una guía metodológica para la implementación de un programa que permite resolver el campo de flujo para una cavidad rectangular bajo condiciones de convección, mediante el método de los volúmenes finitos, para un flujo laminar y geometrías sencillas que pueda ser resultas mediante un mallado estructurado cartesiano, el fluido simulado fue aire con un numero de Prantld de 0.71 y valores de numero de Rayleigh de . El programa fue implementado en el lenguaje C++, creándose 3 librerías auxiliares que permiten resolver las ecuaciones de difusión, convección-difusión y Navier-Stokes de forma general. Estas librerías fueron validadas con soluciones analíticas, numéricas y experimentales para determinar su correcto funcionamiento. Las simulaciones del campo de flujo de la cavidad rectangular fueron desarrolladas con un mallado colocado, utilizando un esquema de interpolación para las velocidades de Rhie-Chow y además se usó un esquema potencial para discretización del término convectivo. Para validar la solución numérica se compararó el Nusselt promedio para cada caso, respecto a la solución numérica de De Vhals Davis y las correlaciones experimentales de Catton, además se realizó un estudio de casos para distintos factores de forma de la cavidad y para distintos ángulos de inclinación los resultados obtenidos se compararon con correlaciones empíricas. El programa desarrollado viene implementado con distintos esquemas de interpolación del término convectivo (diferencias centradas, upwind, hibrido, potencial y exponencial) todo esto con el fin de obtener una compresión más profunda acerca de la influencia de cada esquema de interpolación en la solución.