Ingeniería de Procesos Metalúrgicos y de Materiales. Flujo 1D de calor por conducción en estado no estacionario

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José Ángel Lagos Redondo
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1 Ingeniería de Procesos Metalúrgicos y de Materiales Flujo 1D de calor por conducción en estado no estacionario Ecuaciones nodales del método de diferencias finitas (explícito) Dr. Bernardo Hernández Morales Objetivo del modelo matemático Calcular la evolución del campo térmico al interior de una barra sólida de sección cuadrada o rectangular Alcance del modelo matemático Flujo de calor 1D a lo largo de la barra La barra está constituida por un solo material La sección transversal de la barra es constante No hay generación de calor al interior de la barra Las propiedades termofísicas son independientes de la temperatura Una frontera se considera de simetría y la otra de transporte de interfase Sistema El sistema bajo estudio es un sólido 3D tal como se muestra en la Figura 1. L z L x L y Figura 1. Vista en tres dimensiones del sistema bajo estudio. Si el gradiente térmico en la dirección x es mucho mayor que en las direcciones y y z, entonces el flujo de calor será fundamentalmente 1D (dirección x). El sistema se reduce al mostrado en la Figura 2. L x Figura 2. Sección longitudinal del sólido de la Figura 1.

2 Malla La malla típica de diferencias finitas para el problema de flujo 1D se muestra en la Figura 3. Las líneas punteadas denotan los límites de los volúmenes de control virtuales N-2 N-1 N Figura 3. Malla de diferencias finitas para el problema 1D. Ecuaciones nodales (método explícito) Las ecuaciones de diferencias finitas se generan a partir de balances en cada volumen de control. Nodo central tipo Para un nodo central tipo (nodo i), el balance se construye para la geometría y flechas de flujo (por conducción) de las Figura 4 y 5. A i-1->1 A i+1->i i-1 i i+1 Figura 4. Nodo central i. i-1 i i+1 Flujo de calor que entra a i desde (i-1) Flujo de calor que entra a i desde (i+1) Figura 5. Flechas de flujo de calor hacia el nodo i.

3 El balance de calor es: Donde Es el área perpendicular al flujo de calor. Como la sección transversal de la barra es constante, entonces es constante. El transporte de energía al interior de la barra ocurre por conducción. Entonces, utilizando la aproximación del método explícito de diferencias finitas: Y La ecuación nodal queda entonces: Con Además Define al valor máximo de que puede utilizarse sin que la solución se desestabilice (criterio de estabilidad). La ecuación nodal puede re-escribirse como Por lo que

4 Donde NOTA:,, no denotan áreas. En términos físicos: es la capacidad térmica asociada con el volumen de control (W C-1) es la conductancia térmica entre el nodo i-1 y el nodo i (W C-1) Nodo en la frontera en x = 0 Para un nodo en la frontera ubicada en x = 0 (nodo 1), el balance se construye para la geometría y flechas de flujo (por conducción) de las Figura 6 y 7. A2->1 1 2 Figura 6. Nodo en la frontera x = 0 (nodo 1). 1 2 Flujo de calor que entra a 1 desde 2 Figura 7. Flechas de flujo de calor hacia el nodo 1.

5 El balance de calor es: El transporte de energía al interior de la barra ocurre por conducción. Entonces, utilizando la aproximación del método explícito de diferencias finitas: Y La ecuación nodal queda entonces: Por lo que Define al valor máximo de Donde Con NOTA: no denota área. que puede utilizarse sin que la solución se desestabilice (criterio de estabilidad).

6 Nodo en la frontera en x = L Para un nodo en la frontera ubicada en x = L (nodo N), el balance se construye para la geometría y flechas de flujo (por conducción) de las Figura 8 y 9. AN-1->N A ->N N N-1 Figura 8. Nodo en la frontera x = L (nodo N). N N-1 Flujo de calor que entra a N desde (N-1) Flujo de calor que entra a N desde ( ) Figura 9. Flechas de flujo de calor hacia el nodo N. El balance de calor es: El transporte de energía al interior de la barra ocurre por conducción mientras que en la frontera el transporte ocurre por el mecanismo de intercara. Entonces, utilizando la aproximación del método explícito de diferencias finitas: Y La ecuación nodal queda entonces:

7 Por lo que Define al valor máximo de que puede utilizarse sin que la solución se desestabilice (criterio de estabilidad). Donde Con NOTA:, no denotan áreas.

8 Solución analítica La formulación matemática del problema planteado se construye a partir de la ecuación general de conducción: Para el problema específico, la ecuación gobernante se simplifica a: O bien con C.I. (Distribución inicial de temperatura uniforme) C.F.1 (simetría) C.F.2 (intercara) El problema matemático puede resolverse analíticamente aplicando el método de separación de variables: Si en la condición de frontera en (C.F.2) se trabaja con, la solución es (M. Necati Özişik. Heat Conduction.) : Esta solución se ha evaluado y se representa en las gráficas de Heisler (ver, p. ej., D.R. Poirier y G.H. Geiger. Transport Phenomena in Materials Processing ), que incluyen al caso más general de:. En las gráficas de Heisler:

9 Ejemplo numérico Considera una barra de sección rectangular, de 1.5 ft 5 in 7 in, fabricada con un material que tiene las propiedades termofísicas siguientes: Las dos fronteras están expuestas a un medio a 77 F, de tal forma que el coeficiente de transferencia de calor entre la superficie del sólido y el medio es de 100 Btu h -1 ft -2 F -1. Para aprovechar la simetría del sistema, sólo se considerará la mitad de la barra (en la dirección de flujo de calor). El sistema se discretizará utilizando 5 nodos (espaciados uniformemente). Aplica el método de diferencias finitas (explícito) para calcular la respuesta térmica en cada una de las posiciones nodales. Calcula, también, las historias de rapidez de enfriamiento en cada posición nodal así como la densidad de flujo de calor y el flujo de calor a través de cada una de las fronteras. Compara los resultados numéricos con los que se obtienen utilizando la solución analítica.

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