Estudo numérico da termoconvenção magnética em uma cavidade

Abstract

Este trabalho apresenta um estudo do escoamento de um ferrofluido termossensível em uma cavidade bidimensional aquecida por baixo, resfriada por cima e isolada nas laterais. A influência do campo magnético externo sobre os padrões do escoamento e da transferência de calor, bem como o efeito da introdução de um obstáculo retangular na cavidade, são analisados. O escoamento é considerado incompressível, laminar, com ferrofluido newtoniano superparamagnético e de susceptibilidade dependente da temperatura. O campo magnético externo é gerado por um fio condutor de eletricidade adjacente à cavidade. O problema é resolvido numericamente por meio da solução das equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia usando uma discretização de diferenças finitas em malha regular desenvolvida pelo método de malha defasada. O acoplamento pressão-velocidade é resolvido por meio do método de projeção de 2a ordem, junto ao método de Crank-Nicolson para o avanço no tempo. A compilação das equações no programa computacional Python é feita por meio do método do gradiente conjugado junto ao método SOR. Os resultados apresentam que o fio condutor de eletricidade fixo em uma posição adjacente à metade da altura da parede lateral direita isolada gera um campo magnético capaz modificar a topologia do escoamento de ferrofluido e promover o aumento do número de Nusselt médio do sistema. Além disso, a mudança da posição do fio em relação à cavidade também trouxe mudanças significativas na topologia do escoamento e produziu variações abruptas do número de Nusselt médio, de modo a aprimorar ou dificultar a eficiência do mecanismo de transferência de calor do sistema. Um estudo dos efeitos da presença de um obstáculo retangular no interior da cavidade foi conduzido. Considerou-se o caso no qual o obstáculo é isolado termicamente e o caso em que a temperatura dele é mantida constante. Os resultados revelam que a presença do obstáculo retangular gera um modelo de cavidade composta e ocasiona uma influência direta e considerável na topologia do escoamento de ferrofluido, no campo de velocidade do escoamento e nos valores do número de Nusselt médio. Além disso, o obstáculo em sua configuração térmica aquecida é capaz de induzir a formação de estruturas no escoamento similares às células de Bénard que quando sob o efeito do campo magnético, tendem a desaparecer. Com isso, um estudo a respeito das células de Bénard foi realizado e esse confirmou o comportamento de desaparecimento das células Bénard quando o escoamento interage com os efeitos magnéticos gerados pela fonte magnética, além de intensificar significativamente a velocidade do fluxo do ferrofluido e a eficiência do mecanismo de transferência de calor.