Resfriamento por sprays: modelagem térmica transiente com o método de Monte Carlo

• Processo: 23/03243-3
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
• Data de Início da vigência: 01 de maio de 2023
• Data de Término da vigência: 06 de maio de 2024
• Área de conhecimento: Engenharias - Engenharia Mecânica - Engenharia Térmica
• Pesquisador responsável: Arthur Vieira da Silva Oliveira
• Beneficiário: Carlos Eduardo Brasil de Mendonça Rocha
• Instituição Sede: Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). Universidade de São Paulo (USP). São Carlos , SP, Brasil
• Vinculado ao auxílio: 21/01897-0 - Estudo experimental do impacto de gotas sobre superfícies aquecidas usando técnicas ópticas combinadas: gotas isoladas, múltiplas gotas e sprays, AP.JP
• Bolsa(s) vinculada(s): 23/14469-2 - Comparação de dados experimentais de energia dissipada durante o impacto de uma gota em paredes aquecidas e resfriamento por spray, BE.EP.IC
• Assunto(s): Método de Monte Carlo Simulação Transferência de calor
• Palavra(s)-Chave do Pesquisador: Monte Carlo | Simulação | Spray cooling | transiente | Transferência de calor

Resumo

Impacto de gotas sobre paredes é um processo presente em diversas aplicações da engenharia, como metalurgia, reatores nucleares, motores de combustão interna, turbinas de propulsão, resfriamento de componentes eletrônicos, entre outros. Para melhor caracterizar os processos hidrodinâmicos e térmicos durante o impacto de uma ou mais gotas sobre uma superfície aquecida, começou-se em 2022 um projeto de pesquisa com auxílio FAPESP Jovem Pesquisador na EESC/USP (São Carlos), no qual diversas técnicas ópticas serão utilizadas para realizar as medições necessárias. Até a presente data, alguns testes com o impacto de apenas uma gota sobre a parede foram realizados, porém faz-se necessário avançar os trabalhos para o impacto de diversas gotas durante o resfriamento de uma placa metálica, isto é, resfriamento por spray. A presente Iniciação Científica propõe realizar simulações numéricas de condução de calor tridimensional e transiente representando resfriamento por spray de uma placa metálica. Como condição de contorno destas simulações, usaremos modelos mecanísticos hidrodinâmicos e térmicos do impacto de uma gota sobre parede aquecida que estejam disponíveis na literatura. Tais modelos serão comparados com resultados experimentais obtidos na primeira Iniciação Científica do aluno da presente proposta (Carlos Eduardo), de forma a utilizar nas simulações o modelo mais representativo do processo físico. Em seguida, o método de Monte Carlo será utilizado para "gerar" gotas de diferentes diâmetros - respeitando a distribuição do tamanho das gotas para o spray estudado - e determinar o local de impacto da gota sobre a parede aquecida. Parâmetros globais do spray, como vazão mássica e pressão de injeção, permitirão estabelecer outros parâmetros de impacto, como velocidade da gota e taxa de gotas impactando a parede. Com o método de Monte Carlo e o modelo mecanístico de troca de calor por gota, o resfriamento com spray disperso poderá ser simulado. Nesta etapa, alguns experimentos de resfriamento por spray serão feitos para que se possa comparar os resultados de simulação com dados experimentais. Por fim, diversas simulações serão realizadas variando parâmetros do spray (como tamanho médio de gota, pressão de injeção e distribuição espacial do spray) para avaliar seus impactos sobre o resfriamento da placa. Vale ressaltar que esta proposta de Iniciação Científica é uma continuidade do trabalho que vem sendo desenvolvido pelo aluno na sua primeira Iniciação Científica, e o material necessário para o experimento e o código de diferenças finitas para a solução da equação de calor tridimensional e transiente já estão disponíveis.