Droplet dynamics in confined natural convection flows

Abstract

Uma extensa investigação foi realizada a respeito do movimento de uma única gota em escoamentos de convecção natural confinado. O estudo visa definir as trajetórias percorridas pela gota em diferentes condições iniciais. Nesse sentido, foram investigados os efeitos dos números de Rayleigh e Prandtl, da posição inicial das gotas e das propriedades térmicas de ambos os fluidos na dinâmica do escoamento. Além disso, a influência da gota em movimento nos processos de transferência de calor do sistema foi analisada usando o número de Nusselt. Diferenças finitas foram utilizadas para discretizar o modelo contínuo, as equações de Navier-Stokes foram resolvidas pelo método de projeção e a aproximação de Bousssineq foi assumida. O modelo bifásico foi definido pelo método Level Set de alta ordem. O escoamento pode ser caracterizado incialmente como um regime de movimento linear ou não linear, de acordo com o número de Rayleigh. Em regimes de movimento linear, a gota se move em trajetórias fechadas constantes, definindo em $Ra\sim 10^2 $ uma trajetória reversível que passa periodicamente pela posição onde foi liberada e em $ Ra \sim 10^3$ o mesmo caminho estacionário independente do ponto inicial . Para números de Rayleigh altos o suficiente, $Ra \geq 10^4$, as trajetórias se comportam de maneira não linear. Variando a posição inicial, a gota pode se mover em um caminho helicoidal em direção ao centro do invólucro ou se mover em um circuito fechado. O número de Prandtl afetou a amplitude do movimento para valores de $Pr$ até aproximadamente $5$. Dentro desse intervalo, à medida que $Pr$ aumenta, o caminho descreve amplitudes mais curtas, mais perto da região central. Quando definido por valores maiores, $Pr$ parece não afetar mais a dinâmica do escoamento. Para dois valores distintos de $Pr$, foram consideradas diferentes razões de condutividade térmica e capacidade calorífica. Os resultados destacam que as propriedades térmicas podem não apenas afetar a transferência de calor, mas também o comportamento da gota. Além disso, indetificou-se um aumento significativo na transferência de calor quando um gota de alta condutividade térmica se move em circutos fechados.