Numerical simulation of turbulent natural convection around spheres

Abstract

La mayor parte de las investigaciones que se han realizado sobre la convección natural han abordado su estudio en la región laminar y no se ha dirigido mucha atención a la convección natural turbulenta que suele presentarse cuando el número de Rayleigh supera un cierto valor crítico. Estudios recientes han mostrado que las correlaciones existentes para esta región suelen ser poco precisas. Por otra parte, el tratamiento numérico de este problema presenta dificultades relacionadas con el modelo de turbulencia usado, ya que se está en presencia de una capa límite laminar-turbulenta en un entorno laminar, por lo cual, el modelo laminar subestimará la transferencia de calor, mientras los modelos turbulentos la sobreestimarán. Modelos transicionales y otras opciones están disponibles, pero están diseñados para entornos turbulentos. El presente trabajo plantea la solución numérica mediante el programa computacional Ansys Fluent de la convección laminar turbulenta en torno a esferas sin modelo de turbulencia (modelolaminar) y usando un modelo de turbulencia k-ε para bajos números de Reynolds. El trabajo permitió caracterizar los números de Rayleigh a partir de los cuales empieza a ocurrir el cambio de capa límite laminar a turbulenta, así como la posición del desprendimiento de la capa límite. Los valores obtenidos para la transferencia de calor con el modelo laminar muestran muy buena concordancia con experimentos y correlaciones para bajos números de Rayleigh, pero pierde precisión a partir de cierto valor de Rayleigh, aspecto que pudo corregirse satisfactoriamente incorporando el modelo de turbulencia utilizado