Simulação Computacional de CFD de um pequeno Trocador de Calor de Casco e Tubo

Abstract

No presente trabalho, foi realizado um estudo básico da Fluidodinâmica Computacional (CFD), de um pequeno trocador de calor de casco e tubo (TCCT), usando o pacote computacional ANSYS-CFX. O objetivo principal do trabalho, é a apresentação de uma metodologia para realizar dito estudo, que possa ser aplicada em outros sistemas similares. Para isto, foi dada uma breve introdução ao mundo do CFD, seus antecedentes históricos, as equações governantes e os modelos de turbulência usados para resolver o sistema. Desta forma, foi feita uma comparação entre os dois modelos de turbulência mais populares na indústria, o modelo SST e o modelo k-epsilon. Para validar a solução obtida na simulação, foi feita uma comparação entre os resultados obtidos nos testes experimentas e os resultados do modelo analítico descrito no trabalho (modelo de Kern). Na discretização do domínio computacional, foram criadas três malhas diferentes para os dois modelos de turbulência: uma malha grosseira (278887 células), uma malha média (491867 células) e uma malha fina (887910 células), em que foi confirmado que a solução da malha média é independente para os dois modelos. Finalmente, através das comparações realizadas chegou-se na conclusão de que o modelo SST é o mais adequado para este tipo de sistemas.

In this document, a basic Computational Fluid Dynamics study (CFD) of a small Shell and Tube Heat Exchanger (TCCT) was performed, using the CFD code ANSYS-CFX. The main objective of this document, is the presentation of a methodology to carry out this study, which can be applied in other similar systems. For this, a brief introduction to the world of CFD, its historical background, the governing equations and the turbulence models used to solve the system was given. Thus, a comparison was made between the two most popular turbulence models in the industry, the SST model and the k–ε model. To validate the solution obtained in the simulation, a comparison was made between the results obtained in the experimental tests and the results of the analytical model described in the work (Kern method). In the discretization of the computational domain, three different meshes were created for the two turbulence models: a coarse mesh (278887 cells), a medium mesh (491867 cells) and a fine mesh (887910 cells), where it was confirmed that the solution of the medium mesh is independent for both models. Finally, through the comparisons that were made, it was concluded that the SST model is the most suitable model for this type of systems