Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales Universidad Nacional de Misiones Cátedra: Fundamentos de Transferencia de Calor Área: Convección Ing.

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1 Facultad de Ciencias Exactas Químicas y Naturales Universidad Nacional de Misiones Cátedra: Fundamentos de Transferencia de Calor Área: Convección Ing. Sandra Hase FLUJO LAMINAR EXTERNO

2 TEMA 7 : TRANSFERENCIA DE CALOR POR CONVECCIÓN III  Flujo laminar externo.  Análisis aproximado sobre una placa plana.  Análisis exacto sobre una placa plana

3 FLUJO LAMINAR EXTERNO PLACA PLANA Análisis aproximado de la capa límite por métodos integrales (para el caso de flujo laminar externo sobre placa plana). El concepto de C.L. no es aplicable a flujo externo sobre cilindros o esferas Esto evita la descripción detallada del flujo en la capa límite. Si se usa una ecuación más simple (ecuaciones polinómicas) para describir las distribuciones de velocidad y temperatura en la capa límite. El problema se analiza sobre la base macroscópica, aplicando la ecuación de movimiento y la ecuación de la energía para el agregado de partículas de fluido contenidas dentro de la capa límite. Da soluciones aproximadas cuya exactitud en general depende del perfil considerado

4 análisis integral aproximado Usando un análisis integral aproximado de la capa límite sobre una placa plana, encontrar una expresión para el coeficiente de arrastre (C f ) y el coeficiente de transferencia de calor (h) para el caso de un flujo que fluye sobre el exterior de una placa plana a velocidad u , temperatura T ,, si la placa está: Problema: 1 a) T = T  para 0 ≤ x ≤ x 0 y T = T S para x > x 0 b) T = T S para x > 0

5 METODO INTEGRAL 1) Se plantean las ecuaciones de momentum y energía, en forma integral, para un volumen de control macroscópico en la capa límite 2) Se suponen los perfiles de velocidad y temperatura para los campos considerados 3) Se compara la solución con los métodos exactos

6 Ecuaciones de continuidad, momentum y energía válidas para la región de capa límite (  <<< y) Para Flujo estable, 2D, incompresible, de propiedades constantes

7 Evaluando la ecuación de momentum en el borde de la capa límite donde: 0 00 En consecuencia, para placa plana, la ecuación de momentum en x será:

8 OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN INTEGRAL DEL MOMENTUM III III

9 0

10 II 0 Por condición de no deslizamiento Por continuidad II De la ecuación de continuidad : II

11 DE LA ECUACIÓN INTEGRAL DEL MOMENTUM ECUACIÓN INTEGRAL DEL MOMENTUM

12 2) Perfil de velocidad supuesto Suponiendo un perfil cúbico para la velocidad Donde las constantes se evalúan con las siguientes condiciones de frontera: Por condición de no deslizamiento En el borde de la C.L. Evaluando la ec. De momentum en y=0.

13 Resolviendo las ecuaciones se obtienen los coeficientes El perfil de velocidad es: Reemplazando en la ecuación integral del momentum

14 Haciendo distributiva y sacando u  como factor común Integrando

15 Separando variables Integrando Indica que el espesor de la capa límite es directamente proporcional a x e inversamente proporcional a u 

16 Reemplazando en el perfil de velocidad

17 Cálculo del coeficiente de fricción El coeficiente de arrastre es inversamente proporcional a “x” y a “u  ”

18 Valor promedio del coeficiente de arrastre para placa plana Fuerzas de arrastre que actúan sobre la placa

19 OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN INTEGRAL DE LA ENERGÍA Sidonde Es el espesor de la capa límite térmica Donde se desprecia el término de disipación de energía por efectos viscosos

20 a) T = T  para 0 ≤ x ≤ x 0 y T = T S para x > x 0 Si H >  (t) y  para III III OBTENCIÓN DE LA ECUACIÓN INTEGRAL DE LA ENERGÍA 0

21 0 1 De la ecuación de continuidad :

22 ECUACIÓN INTEGRAL DE LA ENERGÍA Esta ecuación es válida entre 0 ≤ y ≤  t,, porque para todo y >  t,  = 1 y la ecuación se hace cero

23 2) Perfil de temperatura supuesto Suponiendo un perfil cúbico para la temperatura Donde las constantes se evalúan con las siguientes condiciones de frontera: Evaluando la ec. de energía en y=0.

24 Resolviendo las ecuaciones se obtienen los coeficientes El perfil de temperatura es: Reemplazando en la ecuación integral de la energía

25 Integrando

26 Definiendo una nueva variable:

27 Simplificaciones 1) Si consideramos que: Se puede despreciar el término  4 10 Separando variables: Derivando

28 Dividiendo por : Ecuación diferencial ordinaria de primer orden para  3 Recordando que la ecuación diferencial de forma: Solución homogénea Solución particular Solución completa

29 C es una constante que se determina a partir de las siguientes condiciones: a) Para T = T  para 0 ≤ x ≤ x 0 y T = T S para x > x 0

30 b) T = T S para x > x 0 Suposición : Si la transferencia de calor al fluido se inicia desde la arista de entrada Recordando que

31 Reemplazando en el perfil de temperatura obtenido

32 Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección El coeficiente de transferencia de calor por convección es inversamente proporcional a x y directamente proporcional a k Para Pr > 1 Aunque se cumple con exactitud para 0,6<Pr<10 (gases y líquidos)

33 Valor promedio del coeficiente de transferencia de calor por convección para placa plana Para calcular este coeficiente las propiedades del fluido se determinan a la temperatura media aritmética entre T  y T s

34  Análisis aproximado sobre una placa plana para metales líquidos. Pr <<1 Un metal líquido a temperatura T  y velocidad u  fluye sobre una placa plana a temperatura T S. De la ecuación integral de la energía donde Para metales líquidos la capa límite de velocidad es muy delgada y la velocidad del flujo en la mayor parte de la capa límite térmica es uniforme, y se puede considerar que:

35 Suponiendo un perfil cúbico para la temperatura Sustituyendo en la ecuación integral de la energía Integrando Sustituyendo los límites y simplificando

36 Separando variables Integrando

37 Cálculo del coeficiente de transferencia de calor por convección Pe: es el Número de PECLET Si:Y

38 FLUJO LAMINAR EXTERNO ANALISIS EXACTO SOLUCIÓN DE BLASIUS

39 análisis EXACTO Usando un análisis EXACTO de la capa límite sobre una placa plana, encontrar una expresión para el coeficiente de arrastre (C f ) y el coeficiente de transferencia de calor (h) para el caso de un flujo que fluye sobre el exterior de una placa plana a velocidad u , temperatura T ,, si la placa está a T S Problema: 2

40 Ecuaciones de continuidad, momentum y energía válidas para la región de capa límite (  <<< y)

41 Un campo de velocidad bidimensional se puede expresar en forma vectorial : Si el flujo es estable, el camino de las partículas individuales aparecen como líneas de corriente estables. Donde cada valor de la constante identifica una línea de corriente separada. Las líneas de corriente se pueden expresar en términos de una función corriente:

42 La velocidad u está dirigida a lo largo de la línea de corriente de tal manera que no hay flujo a través de ellas. Cualquier par de líneas de corriente adyacentes, se asemejan a un flujo de calor en un gráfico de flujo, tales canales son adiabáticos. (no hay flujo de calor através de ellos) Escribimos la ecuación de conservación de masa suponiendo que el flujo de masa entrante y saliente, sobre dos caras de un elemento triangular de profundidad unitaria, es estable O bien Diferenciando la función corriente a lo largo de cualquier línea de corriente, tenemos:

43 Comparando : Así: Aplicando la ecuación de continuidad La ecuación de continuidad es automáticamente satisfecha, y no se la necesita de aquí en más

44 Los resultados obtenidos mediante el método integral aproximado deben compararse con resultados exactos Solución hidrodinámica por el método de Blasius Se definen las componentes de la velocidad en términos de la función corriente: Se definen nuevas variables dependientes (f) e independientes (  )

45 El uso de estas nuevas variables, simplifican el problema reduciendo la ecuación diferencial del momentum a una ecuación diferencial ordinaria. La solución de Blasius se llama solución de SIMILARIDAD, y las nuevas variables (f y  ) se llaman variables de similaridad Esta terminología se usa porque, a pesar del crecimiento de la capa límite con al distancia x, el perfil de velocidad u/u  permanece similarmente geométricamente Esta similaridad es de la forma funcional : Suponiendo que el espesor de la capa límite hidrodinámica  (x) varíe según: De aquí, el perfil de velocidad se supone que está únicamente determinado por la variable de similaridad , que depende de x e y

46 Datos necesarios para el cambio de variables donde

47 Se puede expresar la ecuación de momentum en función de las nuevas variables: 1) donde

48 2) Si:

49 3) Derivando como un producto: Sacando factor común

50 4)

51 5)

52

53 Así, el problema de la capa límite hidrodinámica se reduce a solucionar una ecuación diferencial ordinaria de 3er orden, no lineal. Con las siguientes condiciones de frontera 1)porque 2)porque 0 3) porque

54 Las soluciones de estas ecuaciones NO son fáciles de obtener La solución en forma cerrada no existe Una solución exacta se obtiene por serie de expansión o por métodos numéricos Los resultados numéricos se presentan en la tabla 1) Sabiendo que por definición de C.L. : Si De la tabla: Borde de la capa límite Valor aproximado

55

56 Se puede expresar la ecuación de la energía en función de las nuevas variables: Adimensionalizando la ecuación de la energía Asumiendo una solución de similaridad de la forma

57 porque

58

59 Pr -1 La dependencia de esta ecuación con las condiciones hidrodinámicas aparece a través de la variable f que aparece en esta ecuación Con las siguientes condiciones frontera:

60 La ecuación ha sido numéricamente resuelta para distintos valores del Pr Una consecuencia importante de esta ecuación es que para 0,6<Pr<50,los gradientes de temperatura superficiales: se pueden correlacionar por:

61 Calculo del coeficiente de calor por convección

62 Estos parámetros se pueden usar para calcular importantes parámetros de la capa límite laminar. T S y h son “infinitos” en el borde de ataque y disminuyen con x -1/2 en la dirección del flujo Las ecuaciones para C f y Nu tienen la misma forma, lo que confirma una analogía entre la transferencia de calor y la transferencia de momentum

63 Si y