Análisis del flujo transitorio en convección natural sobre una placa vertical empleando PIV y un método numérico

Analysis of a natural convection transient flow over a heated vertical plate using PIV and a numerical method

El problema de transmisión de calor se presenta, casi sin excepción, en todas las industrias, existiendo incontables diferencias de detalle a causa de la gran diversidad de sus campos de aplicación. Equipos tales como hornos, colectores solares, intercambiadores de calor, entre otros, pueden ser analizados tanto de manera experimental como analítica.

El estudio del efecto transitorio en convección natural debido a una placa vertical caliente es importante por las aplicaciones prácticas que tiene en el campo de la ingeniería y por el análisis teórico que presenta al resolver las ecuaciones rectoras. Entre las aplicaciones prácticas se puede mencionar el calentamiento de aire en edificios habitacionales, en circuitos electrónicos, en recuperadores de calor, entre otros.

En este documento se presenta la comparación entre los resultados experimentales y numéricos del flujo transitorio en convección natural generado por una placa vertical caliente. El prototipo construido consta de un depósito rectangular de lámina de cobre que se encuentra aislado térmicamente por todos sus lados, excepto en una cara vertical y en la oquedad superior. El interior del depósito de cobre se encuentra lleno de aceite térmico y éste se agita por medio de un impulsor que se mueve a través de un motor eléctrico.

Simulación numérica : ecuación de difusión

Numerical simulation : diffusion equation

La simulación numérica es una herramienta eficaz en las ciencias aplicadas para la determinación de soluciones y la predicción de su comportamiento sin recurrir a la experimentación. Permite la recreación matemática de procesos físicos que aparecen con frecuencia en el área de ingeniería. El uso de simulaciones numéricas para estudiar ecuaciones diferenciales en derivadas parciales, en particular la ecuación de difusión, requiere normalmente de un cuidadoso estudio de métodos numéricos, de algoritmos a utilizar y de los procesos fundamentales a incluir en la simulación. Una simulación numérica difiere de un modelo matemático en que el primero constituye una representación en cada instante del proceso a simular, mientras que el segundo es una abstracción matemática de las ecuaciones fundamentales necesarias para analizar dicho fenómeno.

En este artículo se estudian y modelan las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales y en particular la ecuación de difusión. Su elección se efectúa basándose en sus múltiples aplicaciones en problemas de la mecánica. Mediante material desarrollado usando un software científico, se comparan distintos métodos de solución analizando las ventajas y desventajas de su aplicación. Se obtienen conclusiones en cuanto a la aplicación de los métodos de solución.