Estudio del comportamiento del número de Nusselt local en flujo laminar simultáneamente en desarrollo para canales rectangulares

Abstract

En esta memoria se estudia numéricamente la transferencia de calor en flujo laminar simultáneamente en desarrollo dentro de ductos rectangulares, bajo condición de temperatura de pared constante. El análisis se centra en el comportamiento del número de Nusselt local y medio, considerando la influencia del número de Prandtl y de la razón de aspecto de la sección transversal. Las simulaciones se realizaron en Ansys Fluent mediante el método de volúmenes finitos, resolviendo las ecuaciones completas de continuidad, cantidad de movimiento y energía. Se estudiaron siete razones de aspecto, α ∗ ∈ 0.1, ocho números de Prandtl entre 0.1 y 50, y números de Reynolds entre 250 y 2000. A partir de los campos numéricos se desarrolló una herramienta de post-procesamiento en Python para calcular el número de Nusselt local mediante balances de energía, incorporando la conducción térmica axial presente en la ecuación de energía. La solución numérica fue verificada mediante estudios de independencia de malla y comparaciones con resultados disponibles en la literatura. En el régimen completamente desarrollado, las diferencias respecto de los valores reportados por Shah y London [6] se mantuvieron por debajo de 0.6 %. La comparación con los resultados de Wibulswas [9] para P r = 0.72 mostró mayores discrepancias hacia las menores posiciones de x ∗. Al recalcular el número de Nusselt medio restringiendo la integración a x ∗ ≥ 10−4, el error medio general disminuyó a 2.82 % y el error máximo a 5.06 %. Los resultados muestran que la evolución del número de Nusselt depende de la razón de aspecto y del número de Prandtl. Para una misma posición térmica x ∗, el número de Prandtl determina el estado relativo de desarrollo hidrodinámico mediante la relación x + = P r x∗, mientras que la dependencia residual con el número de Reynolds disminuye al aumentar el número de Péclet y al avanzar aguas abajo. Dentro del rango estudiado se adoptó (...).