Para resolver o problema da troca de calor entre todos os elementos do sistema é necessário de métodos que possam vincular os diferentes fenômenos e materiais que existem no fenômeno de troca de calor. Neste caso, para realizar esse acoplamento dos processos térmicos e analisar as variáveis térmicas no espaço, é complicado obter resultados através de métodos não computacionais. Devido a isto, é necessário ferramentas avançadas que ajudem a obter respostas rápidas com resultados de boa aproximação.
2.7.1. COMSOL Multiphysics v 5.1
COMSOL Multiphysiscs é um software de diferentes plataformas baseadas nos métodos numéricos avançados que servem como ferramenta para solucionar problemas físicos
17 e multifásicos por meio dos elementos 1D, 2D e 3D. Adicionalmente, o software pode expandir uma plataforma de simulação com interfaces físicas e ferramentas para aplicações de diferentes problemas elétricos, magnéticos, mecânicos, químicos, entre outros.
Para este caso particular, o problema de transferência de calor e acoplamento dos fenômenos físicos se resolve o problema utilizando as plataformas de transferência de calor (Heat Transfer Module) e análise não isotérmica de tubulações (Pipe Flow Module). Dentro da análise de transferência de calor, o software dá opções de análise de troca de calor entre sólidos, fluxos e sistemas multifásicos. Também, se consegue realizar a análise do fluxo não isotérmico conseguido com modelos assumindo que o fluido (água) é incompressível e que existe uma gradiente de temperatura não constante no tempo.
2.7.1.1. Modulo Pipe flow
O módulo Pipe Flow é utilizado para realizar simulações de escoamento de fluidos, transferência de calor e massa, transitórios hidráulicos e acústicos em redes de tubos e canais. O módulo pode ser integrado com qualquer outro módulo dos produtos da COMSOL para modelar tubulações que têm efeitos em entidades maiores tais como tubulações de refrigeração de máquinas em blocos ou canais de alimentação e canais de produtos ligados a pequenas tubulações. O módulo fornece finalmente velocidade, pressão, concentração de materiais e distribuições de temperatura ao longo das tubulações e canais, mas também pode simular a propagação de ondas acústicas e o efeito de martelo.
O módulo Pipe Flow é adequado para a modelagem de fluxo incompressível em tubulações e canais cujos comprimentos são grandes o suficientes para que o fluxo possa ser considerado plenamente desenvolvido. Com esta hipótese, utiliza elementos lineares, resolvendo para a secção transversal média a velocidade tangencial ao longo das arestas, para evitar uma simulação da secção transversal da tubulação com uma malha 3D. Isto significa que as variáveis são modeladas em média nas secções transversais da tubulação e variam apenas ao longo do comprimento da tubulação. Fornecem-se fatores de atrito de Darcy para cobrir o regime de fluxo inteiro, incluindo fluxo laminar e turbulento, fluidos newtonianos e não newtonianos diferentes ou geometrias da secção, e uma gama de valores de rugosidade superficial relativa da tubulação. Estes podem variar de acordo com sua posição na rede, ou diretamente relacionada com as variáveis que o usuário modela.
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2.7.1.2. Modulo Heat Transfer
O módulo Heat Transfer em sólidos utiliza-se para investigar os efeitos de aquecimento e resfriamento em substâncias, componentes ou processos. O módulo oferece ferramentas de simulação para estudar mecanismos de transferência de calor por condução, convecção e radiação para problemas mecânicos estruturais, dinâmica dos fluidos, eletromagnetismo e reações químicas. O módulo atua como uma plataforma para aplicações possíveis de transferência de calor ou energia entre substâncias sólidas, líquidas e gasosas.
O módulo também inclui um banco de dados de materiais que contém as propriedades de diversos fluidos e gases comuns, o que inclui muitos dos dados termodinâmicos necessários para uma análise precisa. Eles incluem condutividade térmica, capacidade térmica e densidade. Além disto, podem-se criar materiais com variáveis não incluídas nesta base de dados. Esta ferramenta é uma fonte para propriedades de material, com mais de 2.500 materiais sólidos, onde muitas delas estão descritas em função da temperatura.
Finalmente, o modulo Heat Transfer também possui interfaces robustas para modelar a transferência de calor em meios porosos, considerando a condução e a convecção, nas fases sólidas e nos poros abertos da matriz porosa. Podem-se selecionar diferentes modelos de médios para definir propriedades de transferência de calor eficazes que são automaticamente calculadas a partir das respectivas propriedades dos materiais sólidos e fluidos. Pode-se também acessar a um recurso predefinido para a dispersão de calor em meios porosos causada pela via tortuosa percorrida pelos fluidos através dos poros.
2.7.2. Hipóteses do problema
Para desenvolver a dissertação numérica, são consideradas hipóteses que fundamentam o desenvolvimento do fenômeno e a escolha dos módulos Heat transfer e Pipe flow do software COMSOL Multiphysics. Embora existam opções de realizar uma análise detalhada com estes módulos, se consideram as seguintes hipóteses na análise:
O diâmetro da tubulação é relativamente pequeno com relação ao diâmetro da estaca, portanto a relação do diâmetro da estaca e o comprimento da estaca é bem pequeno. O anterior permite considerar uma análise unidimensional do fluxo (perpendicular à
secção da tubulação) e poucas variações da temperatura entre os pontos que conformam uma mesma seção em qualquer profundidade da tubulação. Por esta razão
19 é assumida uma temperatura constante ao longo de todas as seções transversais (a média da temperatura de todos os pontos da área) da tubulação.
O ar é meio que transfere o calor entre o ambiente e os domínios de concreto.
O calor superficial transferido para os domínios de solo e concreto se da por meio de uma camada de ar.
Radiação entre grãos e fluidos dentro do solo são desprezíveis em comparação com os níveis de troca de calor dados durante a troca de calor solo-estaca.
A temperatura inicial do fluido e concreto depende da temperatura do solo.
A variação da condutividade térmica no solo não está ligada à variação de umidade do solo durante o ensaio.
Considera-se saturação do solo constante no tempo.
Densidade, capacidade térmica e condutividade térmica dos materiais do solo não mudam com a temperatura. Consideram-se valores médios registrados na literatura. Densidade, condutividade e capacidade térmica do fluido (água) são constantes no
tempo, consideram-se ρ=1000 kg/m3, k=0.6 W/m.K e C
p= 4180 J/kg.K.
Condutividade térmica e capacidade específica do concreto são valores médios tomados da literatura. k=2.0 W/m.K e Cp=2400 J/kg.K
Viscosidade do fluido é constante com a mudança de temperatura. Fluido circundante (água) considerado como incompressível.
Densidade e peso específico do solo são constantes ao longo da profundidade de cada camada de solo e tempo.
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