Application of constructal theory for the construction of an arrangement of heated blocks inserted in a channel subject to flows with forced convection

Authors

DOI:

https://doi.org/10.5902/2179460X74568

Keywords:

Constructal Theory, Geometric Investigation, Forced Convection, Arrangement of Blocks, Laminar Flow

Abstract

This work shows an analysis of the construction of the geometric arrangement of blocks mounted on the surfaces of a channel subject to a laminar, incompressible flow, with forced convection in a two-dimensional domain. The construction is carried out through a construction function based on the system performance indicator, i.e., the heat transfer rate from the arrangement to the fluid flow. For the assembly of the arrangement, a methodology based on the principles of the Constructal Theory is used. To solve the convection problem, the mass, momentum and energy conservation equations are solved with the Finite Volume Method, more precisely using the FLUENT software. The objective of this work is to understand how the construction of the initial blocks of the array (N = 3 blocks) occurs in an area occupied by the channel in flows with forced convection and Reynolds and Prandtl numbers of ReH  = 100 and Pr = 0.71. The best and worst cases for N = 2 led to an increase of 93.21% and 28.59%, respectively, compared to the N = 1 case. Results demonstrated that the construction that led to the best thermal performance was the configuration where there is the highest momentum between blocks (intensifying the convective heat transfer coefficient) and with the lowest interaction between the thermal boundary layers, which is in agreement with the principle of optimal distribution of imperfections.

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Author Biographies

Diego Mion do Carmo, Federal University of Rio Grande

Doutorado em andamento em Modelagem Computacional.
Universidade Federal do Rio Grande, FURG, Brasil.

Liércio André Isoldi, Federal University of Rio Grande

Graduação em Engenharia Mecânica, Graduação em Engenharia Civil e Mestrado em Engenharia Oceânica pela Universidade Federal do Rio Grande, Doutorado em Engenharia pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul e Pós-Doutorado vinculado ao Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional da Universidade Federal do Rio Grande. Atualmente é Professor Associado III da Escola de Engenharia da Universidade Federal do Rio Grande, Professor permanente do Programa de Pós-Graduação em Modelagem Computacional e do Programa de Pós-Graduação em Engenharia Oceânica.

Luiz Alberto Oliveira Rocha, Federal University of Rio Grande

Possui graduação em Engenharia Mecânica de Automóveis pelo Instituto Militar de Engenharia, mestrado em Engenharia Mecânica pela Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, doutorado em Engenharia Mecânica - Duke University e pós-doutorado na área de Turbulência no Instituto de Pesquisas Hidráulicas/UFRGS. Tem experiência na área de Engenharia Mecânica, com ênfase em Termodinâmica, Mecânica dos Fluidos e Transferência de Calor, atuando principalmente nos seguintes temas: otimização geométrica, análise energética e exergética, energias alternativas/renováveis, teoria constructal e design, indústria 4.0, realidade virtual e aumentada, modelagem, simulação e otimização de sistemas. Atualmente é professor convidado no PPG Engenharia Mecânica da UFRGS e professor visitante nos PPG Modelagem Computacional e PPG Engenharia Oceânica da FURG.

Marcelo Risso Errera, Federal University of Paraná

Graduado em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Espírito Santo, mestrado em Engenharia Mecânica pela Universidade Estadual de Campinas e Doctor of Philosophy pela Duke University. Estágio pós doutoramento realizado na Universidade de Duke. Atualmente é professor associado da Universidade Federal do Paraná. Tem experiência em temas da Engenharia Ambiental e Mecânica, com ênfase em sustentabilidade energo-ambiental, atuando principalmente nos seguintes temas: controle ambiental, descontaminação de águas subterrâneas, teoria dos constructais, análise exergética, aproveitamento de energia, termoeconomia, emissões veiculares. Desenvolve também trabalhos em modelagem de ecossistemas, avaliação de ciclo de vida, combustão integrada de biomassa e gás natural. 

Elizaldo Domingues dos Santos, Federal University of Rio Grande

Possui graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade Federal do Rio Grande, mestrado e doutorado pela Universidade Federal do Rio Grande do Sul. Tem experiência na área de engenharia mecânica com ênfase em mecânica dos fluidos, transferência de calor, termodinâmica, dinâmica dos fluidos computacional, fontes renováveis de energia e design. Atualmente é professor Associado III da Universidade Federal do Rio Grande e docente permanente dos Programas de Pós-Graduação em Modelagem Computacional e Engenharia Oceânica. Atua principalmente com os seguintes temas: análise numérica de escoamentos turbulentos isotérmicos e com transferência de calor por convecção, trocadores de calor, análise numérica do princípio de funcionamento de dispositivos para uso de fontes renováveis de energia (energia das ondas do mar, energia eólica, chaminés solares, trocadores de calor solo-ar) e avaliação geométrica de problemas de engenharia empregando Design Construtal.

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Published

2023-12-01

How to Cite

Carmo, D. M. do, Isoldi, L. A., Rocha, L. A. O., Errera, M. R., & Santos, E. D. dos. (2023). Application of constructal theory for the construction of an arrangement of heated blocks inserted in a channel subject to flows with forced convection. Ciência E Natura, 45(esp. 3), e74568. https://doi.org/10.5902/2179460X74568

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