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CFD simulation of forced convection heat transfer of laminar phase-change non-newtonian fluis in rectangular straight micro-channels

ADI CORRALES MAGALLANES (2010)

"The department of Engineering Technology and Industrial Distribution (ETID) at the University of Texas A&M, in College Station, Texas is at the vanguard of modeling fluids to evaluate their heat transfer performance under various conditions. Until now, they have been working with Newtonian flows, single phase and with a phase change material, but their work will now include non-Newtonian fluids, also in single phase and with a phase change material. This work presents the first studies of non-Newtonian flows with phase change materials done in this department as an introduction for further investigation.

Several analyses were done in this work to compare the heat transfer performance of various rectangular micro-channels with different aspect ratios and non-Newtonian power law fluids as a single phase fluid and with a phase change material (PCM). The performance was compared by calculating the Nusselt number (Nu) and the Fanning friction factor (f) and then, with the thermal performance factor.

The cases were tested under a constant heat flux with constant peripheral temperature (H1) and constant wall temperature (CWT) boundary conditions. Only the fully developed region where analyzed, and the entry region was set as combined, allowing the hydrodynamic and the thermal development simultaneously. The phase change effects were simulated using a specific heat model.

The rectangular tubes with a lower aspect ratio height/width were found to have higher values of Nu for the same fluid. In terms of viscosity, the fluids with lower power law indexes were found to have the highest values.

Comparing single phase fluids with the slurry formed by a non-Newtonian carrier and a PCM, the slurry presented a notable increment of the value of Nu during the phase change of the fluids under H1 condition, while the fluids under CWT presented only an increment of the value during the entry region.

The case that presented the higher values of Nu was with PCM slurry in a rectangular micro-channel with low aspect ratio, and a fluid with low power index, but only during the phase CFD simulation of forced convection heat transfer of laminar phase-change non-Newtonian fluids in rectangular straight micro-channels iv change region, as the values in the sub-cooled and liquid region converges to the values of the single phase fluid."

Master thesis

Mecánica de fluídos INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA CIENCIAS TECNOLÓGICAS TECNOLOGÍA E INGENIERÍA MECÁNICAS OTRAS

Teoría de la catástrofe aplicada en la hidráulica

Polioptro Martinez-Austria GABRIEL ECHAVEZ ALDAPE (1986)

La teoría de la catástrofe es una nueva herramienta matemática que permite el estudio y la descripción de fenómenos con características anómalas de comportamiento como histéresis y discontinuidades. En mecánica de fluidos e hidráulica existen varios casos de flujos con este tipo de comportamiento que, por la carencia de métodos sencillos de análisis, casi no se han estudiado. En este trabajo se presentan los conceptos fundamentales de la teoría de la catástrofe, enfatizando más sus implicaciones físicas que sus antecedentes matemáticos, y se ofrecen ejemplos de fenómenos de interés en hidráulica que pueden describirse mediante geometrías de catástrofe.

Article

Hidráulica Mecánica de fluidos Método descriptivo INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Estudio de la transferencia de energía, masa y cantidad de movimiento en sistemas fluido-medio poroso

José Javier Valencia López (2005)

En el Capítulo 1, se presenta una revisión bibliográfica de los diversos temas alrededor de este trabajo, considerando: flujo en cavidades, flujo en medios porosos, convección natural en sistemas con una región, en sistemas con dos regiones y flujo tridimensional. También se revisan trabajos enfocados al estudio de difusión doble y acoplamiento de ecuaciones en ambas regiones. En el Capítulo 2, se establece el sistema físico y las simplificaciones impuestas para el análisis de la convección natural considerando un sistema en tres dimensiones; posteriormente se plantean las ecuaciones de transporte de energía, masa y cantidad de movimiento utilizadas para establecer dos modelos que consideran el transporte en cada una de las regiones. El primer modelo utiliza la ecuación de Darcy con la corrección de Brinkman, mientras que el segundo considera solamente la ecuación de Darcy para la transferencia de cantidad de movimiento en la región porosa, ocasionando que para la condición interregional se requiera la condición semi-empírica de Beavers y Joseph. Al final, se presentan en forma de resumen las ecuaciones que conforman cada uno de los dos modelos tridimensionales. En el Capítulo 3, se presenta el esquema para la solución numérica de las ecuaciones diferenciales parciales (EDP) que conforman los modelos; esto incluye la discretización de las EDP y la descripción del esquema numérico. En el Capítulo 4, se presentan las pruebas realizadas con el modelo computacional, ellas incluyen el análisis del efecto sobre la convección natural de los grupos adimensionales de Rayleigh (Ra) , Darcy (Da) y Lewis (Le). En el Capítulo 5, se presentan las conclusiones y perspectivas relacionadas al estudio presentado en los capítulos 3 y 4. El desarrollo de las condiciones de salto para la transferencia de masa y las ecuaciones promedio utilizadas se presenta en los Apéndices A y B respectivamente, en el Apéndice C se reporta el desarrollo del modelo bidimensional para el proceso de convección natural ocasionada por gradientes simultáneos de masa y temperatura en una cavidad con un fluido y un medio poroso en la parte inferior, finalmente, en el Apéndice D se muestran las formas discretizadas en diferencias finitas para las derivadas involucradas en el modelo computacional. Como aportaciones importantes del trabajo se tienen: • El desarrollo de un modelo que considera los efectos tridimensionales en la formulación vorticidad-vector potencial para el modelado de flujo convectivo en cavidades fluido-medio poroso, considerando la ley de Darcy o la corrección de Brinkman para representar el flujo en el medio poroso. • Los resultados para la formulación tridimensional de los efectos de los números de Rayleigh, Prandtl y Lewis sobre el fenómeno de convección natural. Estos resultados se comparan con los obtenidos mediante un modelo que considera sólo efectos bidimensionales. • El análisis de la ecuación de transferencia de masa (considerando difusión y adsorción) en la frontera entre un fluido homogéneo y un medio poroso, partiendo de las ecuaciones usualmente utilizadas. El desarrollo ha impuesto la condición de continuidad en la frontera para la concentración del soluto y se derivó una condición de salto para el flux que asegura el cumplimiento de la ecuación generalizada para el transporte de masa.

El transporte convectivo provocado por gradientes de temperatura y/o concentración frecuentemente se encuentra en problemas de la ingeniería química. En particular, la situación es importante cuando este tipo de transporte se presenta en cavidades, sean cerradas o abiertas. La mayor parte de los estudios de convección natural reportados son para sistemas de una fase o un medio multifásico homogéneo. Sin embargo, muchos de los problemas en ingeniería química se refieren al intercambio de masa, energía y cantidad de movimiento entre un fluido (región I) y un medio poroso (región II). La complejidad de los modelos para este sistema aumenta, debido a que es necesario considerar las ecuaciones de transporte en cada región y las condiciones de frontera que las acoplan. Al respecto, la mayoría de los estudios realizados previamente se refieren a sistemas en los que existe sólo transporte bidimensional. Así, como la mayor parte de los estudios encontrados en la literatura se limitan a sistemas de una sola fase, hay también pocos estudios que se refieren a la validez de las condiciones de frontera que se han usado. De esta manera el desarrollo de modelos para el transporte entre un medio poroso y un fluido, en términos de ecuaciones diferenciales y condiciones de frontera, no es trivial. Motivado en lo anterior, el presente trabajo tiene como objetivo el desarrollo, solución y pruebas numéricas de dos modelos para el proceso de convección natural en una cavidad ocupada parcialmente por un medio poroso en términos de ecuaciones de medio efectivo. En el análisis numérico se imponen gradientes de temperatura y concentración para analizar el efecto sobre los coeficientes de transferencia de los dos modelos mencionados y de la naturaleza bidimensional o tridimensional del transporte. Los objetivos específicos del presente trabajo son: 1. El estudio del fenómeno de convección natural tridimensional en cavidades fluido-medio poroso. 2. El desarrollo de un modelo de difusión doble con transporte bidimensional, y 3. El desarrollo de la condición de salto en la interregión fluido-medio poroso para transferencia de masa. La presentación del trabajo se estructura en cinco capítulos y tres apéndices. A continuación se da una breve descripción de cada uno de ellos.

Doctoral thesis

Calor -- Transmisión Calor -- Convección -- Modelos matemáticos Convección térmica -- Modelos matemáticos Materiales porosos Mecánica de fluidos INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Mathematical analysis of unstable density fluctuations in the dissipative gravitational collapse

ALMA ROSA MENDEZ RODRIGUEZ ANA LAURA GARCIA PERCIANTE ALFREDO SANDOVAL VILLALBAZO (2019)

A detailed analysis of the dynamics of unstable modes present in the linearized Navier–Stokes-Fourier system in the presence of a gravitational field is carried out. The transition between the non-dissipative and dissipative regimes is explored from the mathematical point of view by considering the same equation of state in both cases, a procedure which sheds light on the discontinuity present in the critical parameter. It is also shown that two distinct behaviours for the propagation of unstable modes can be identified below the critical value for a gravitational instability to occur, depending on a parameter R that quantifies the relevance of dissipation relative to gravitational effects.

Journal of physics communications

Article

INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA Ecuaciones diferenciales parciales Gravitación Mecánica de fluidos

Modelos de catástrofe del flujo alrededor de objetos sumergidos

Polioptro Martinez-Austria (2010)

En la mecánica de fluidos existen diversos fenómenos que exhiben un comportamiento histerético y con cambios súbitos, no sólo de orden cuantitativo sino también cualitativos. Tales fenómenos pueden ser representados y explicados mediante la teoría de la catástrofe, que permite explicar este tipo de respuesta observada en algunos sistemas físicos. En este artículo se demuestra analíticamente que el flujo alrededor de cilindros sumergidos en un flujo constituye una catástrofe del tipo en pliegue. Ampliando este resultado, ahora con un enfoque semi-empírico, se puede demostrar que el flujo alrededor de cilindros y esferas con rugosidad se puede representar mediante una geometría de catástrofe tipo cúspide. Ambos resultados respaldan la hipótesis de que el flujo alrededor de objetos sumergidos en líquidos se puede modelar mediante geometrías de catástrofe y explicar así la ocurrencia de bifurcación, bimodalidad, saltos bruscos e histéresis.

Article

Teoría de la catástrofe Flujo alrededor de objetos sumergidos Histéresis en mecánica de fluidos Mecánica de fluidos Catástrofe cúspide INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA

Mecánica de fluidos

Mabel Vaca Mier Raymundo López Callejas (1992)

210 páginas.

Texto que tiene como objetivo ayudar a los estudiantes a desarrollar una metodología conveniente para la solución de problemas en la materia de la mecánica de fluidos en movimiento o en reposo y los efectos consiguientes sobre los contornos, que pueden ser una superficie sólida u otro fluido. Se desarrollan las ecuaciones fundamentales, mostrando con claridad las hipótesis que las sustentan y se resuelven los problemas que ejemplifican los temas, relacionando el resultado con el comportamiento físico esperado.

Book

Fluid mechanics. Mecánica de fluidos. TA357 CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA MECÁNICA MECÁNICA DE FLUÍDOS

Diseño mecánico ágil: nueva propuesta metodológica enfocada a proyectos de desarrollo tecnológico

Agile mechanical design: new methodological proposal focused on technological development projects

JORGE ARMANDO GUTIERREZ BRAVO Isaac Hernández Arriaga JOSE GUADALUPE OCTAVIO CABRERA LAZARINI (2019)

En la actualidad, todos los productos están sometidos a un proceso de evolución continuo, generando que las empresas busquen nuevos métodos que se adapten a la dinámica de dichos cambios en los productos. Metodologías ágiles han presentado alternativas para atender esta necesidad. Sin embargo, aún no se ha resuelto la contradicción de obtener productos ágiles y técnicamente fundamentados. Este artículo propone un nuevo método para atender dicha contradicción, basado en el acoplamiento de los principios ágiles con métodos, técnicas y herramientas del diseño mecánico, logrando a través de las herramientas virtuales tanto del modelado 3D como la realidad aumentada, realizar la evaluación del producto desde la etapa de diseño, generando incrementos en la configuración del producto en cada iteración sin la necesidad de interactuar con un producto físico. El principio es encontrar una solución funcional temprana e intentar mejorarla, en lugar de abordar el problema y posponer la solución como los métodos tradicionales del diseño mecánico lo establecen. Finalmente, se exponen y discuten los resultados relevantes de la aplicación de este método en un proyecto real de la empresa Industrial Automation México.

Nowadays, all products are subject to a process of continuous evolution, generating that companies seek new methods that adapt to the dynamics of these changes in products. Agile methodologies have presented alternatives to address this need. However, the contradiction of obtaining agile and technically based products has not yet been resolved. This article proposes a new method to address this contradiction, based on the coupling of agile principles with methods, techniques and tools of mechanical design, achieving through the virtual tools of both 3D modeling and augmented reality, perform the evaluation of the product from the design stage, generating increments in the configuration of the product in each iteration, without the need to interact with a physical product. The principle is to find an early functional solution and try to improve it, instead of addressing the problem and postponing the solution as traditional methods of mechanical design establish. Finally, the relevant results of the application of this method are exposed and discussed in a real project of the Industrial Automation Mexico Company.

Agradezco a dios. A mi esposa Amalia y a mis hijos; Diego, Julia, Bruno y Zoe, por ser mi fuente de energía. También agradezco a Paul Jaques y Guillermo Gómora, por las facilidades y apoyo de aplicar esta propuesta en la empresa Industrial Automation. Finalmente, agradezco a mis asesores; Isaac Hernandez y Octavio Cabrera por sus recomendaciones y apoyo durante este proyecto.

Article

Método ágil Diseño mecánico Proyectos de desarrollo tecnológico Agile method Mechanical design Technological development projects CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA MECÁNICA MECÁNICA DE FLUÍDOS MECÁNICA DE FLUÍDOS

Optimización de la geometría externa de la buza del molde para colada continua de planchón de acero

RODRIGO HERNANDEZ SANTOYO (2015)

53 páginas. Maestría en Ingeniería de Procesos.

Hoy en día, el acero sigue siendo el material de más amplio uso en todas las ramas de la industria, si bien, nuevos materiales se han desarrollado, estos aún no pueden sustituir al acero debido a su amplio rango de propiedades mecánicas que puede ofrecer, además en los últimos años se han seguido desarrollando diversos tipos de aceros como los aceros de alta resistencia de última generación como TRIP, TWIP y DP que permiten una reducción de peso considerable en aplicaciones estructurales. Es por esta razón que el proceso de colada continua sigue siendo de importancia fundamental en la industria. De aquí que la mejora de la calidad del proceso de colada continua sea fundamental. Los defectos que afectan de manera importante la calidad del acero son las inclusiones no metálicas causadas durante el vaciado en el molde de CC por arrastre de escoria. Para disminuir este defecto se han propuesto distintas alternativas como el uso del freno electromagnético. El problema del freno electromagnético es que resulta costoso y difícil de operar. En este trabajo se propone una solución simple y de bajo costo que según veremos resulta eficiente para disminuir el arrastre de escoria. Si bien, hace falta más investigación para su implementación, los resultados obtenidos durante la investigación aportan evidencia de que desde el punto de vista de la mecánica de fluidos es posible su uso. La solución aquí presentada consiste en el uso de un deflector de flujo externo rectangular que forma parte de la buza bifurcada, que tiene como intención provocar un patrón de flujo cuasi simétrico que impida la formación de fluctuaciones, las cuales, a su vez, son las responsables en gran medida del arrastre de escoria que puede generar defectos internos o superficiales en el acero durante su solidificación después del vaciado en el molde de CC.

Master thesis

Continuous casting--Mathematical models. Piezas moldeadas (Fundición). Mecánica de fluídos. TS233 CIENCIAS FÍSICO MATEMÁTICAS Y CIENCIAS DE LA TIERRA FÍSICA MECÁNICA MECÁNICA DE FLUÍDOS

Mecánica de fluidos con ejercicios CFD

IRMA HERNANDEZ CASCO MARIO IBAÑEZ OLVERA JUAN ALFONSO SALAZAR TORRES (2019)

El presente libro contiene algunos temas sugeridos para apoyar la enseñanza de la mecánica de fluidos en el aula, favorecer la comprensión de los alumnos y aportarles herramientas útiles para enfrentar problemáticas de la realidad industrial inmediata. Se exponen de forma jerárquica las temáticas a considerar en un curso básico: Introducción y conceptos básicos, Estática de fluidos, Ecuación de continuidad, Ecuación general de energía (pasando por Bernoulli), Ecuación de momentum, Diseño de sistemas de tuberías y Selección de equipo.

El presente libro es el resultado de prácticas pensadas para el desarrollo de habilidades de estudiantes de ingeniería, a través de aplicaciones industriales, con ejercicios resueltos y series con respuestas, así como ejemplos realizados mediante software libre.

Universidad Autónoma del Estado de México.

Book

Mecánica de fluidos fuerza flujo teorema ecuación continuidad movimiento fluidos análisis dimensional manejo de fluido variables ecuaciones ingeniería software libre ecuación de continuidad teorema del transporte INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA