En sistemas del mundo real, como edificios, lagos y colectores solares, la convección natural a menudo no se ajusta a los modelos simplificados de un solo recinto que se encuentran en gran parte de la literatura. En cambio, estos sistemas pueden representarse como recintos parcialmente divididos. Un modelo básico para estudiar la convección natural en estos sistemas implica dos recintos que se comunican lateralmente a través de aberturas como puertas, ventanas o pasillos, o a través de paredes divisorias incompletas. Este modelo ha sido objeto de varios estudios y experimentos que examinan las geometrías bidimensionales de estos recintos.
La introducción de un obstáculo vertical dentro de la cavidad crea una característica distintiva del flujo: el atrapamiento del fluido en un lado del obstáculo. Este fluido se vuelve en gran medida estancado e inactivo en términos de transporte de calor convectivo, lo que conduce a cambios significativos en los patrones generales de flujo. Por ejemplo, cuando se coloca una pared parcial en el piso de la cavidad, el fluido en el lado frío queda atrapado y su circulación se restringe severamente. Esto contrasta con un escenario donde no existen obstrucciones internas, en el que el flujo puede circular libremente por toda la cavidad.
La presencia de estos importantes depósitos de fluido inactivo o estancado, como se muestra en la Figura 1, conduce a una reducción notable en la tasa de transferencia de calor a través del recinto. Esto ocurre porque el fluido estancado actúa como una barrera térmica, reduciendo la eficiencia del intercambio de calor entre los lados frío y caliente de la cavidad. El rendimiento térmico general del recinto se ve afectado significativamente por el tamaño y la ubicación de las particiones internas, que alteran el movimiento del fluido y el transporte de calor por convección. Comprender estas características del flujo es esencial para optimizar sistemas como los recintos de HVAC o los colectores solares, donde la gestión térmica es crucial.
La reducción de la transferencia de calor de extremo a extremo se puede predecir mediante un análisis de escala. Suponiendo que no se produce transferencia de calor a través de la partición incompleta, la resistencia térmica de las dos capas límite cerca de las paredes calentadas impide la transferencia de calor. Sean y representan las escalas de longitud de las dos capas límite, como se muestra en la Figura 1. Las alturas y están determinadas por la geometría de la partición interna.
Para los fluidos donde el número de Prandtl es , los espesores de la capa límite térmica se aproximan como:
Aquí, los subíndices y indican que el número de Rayleigh se basa en la altura real de la capa límite, no en la altura total del recinto . Las resistencias térmicas de las dos capas límite se pueden expresar de la siguiente manera:
donde es la conductividad térmica del fluido.
La tasa total de transferencia de calor se puede calcular de la siguiente manera:
donde y son coeficientes numéricos de orden . Esta ecuación se puede reorganizar en forma adimensional para ilustrar la influencia de la geometría del obstáculo:
Si observamos la Figura 1b y la ecuación anterior, vemos que a medida que disminuye la abertura que queda por encima de la partición, la relación se vuelve significativamente mayor, lo que da como resultado una marcada disminución en la tasa de transferencia de calor. Por ejemplo, al establecer y , la ecuación se alinea bien con las tasas de transferencia de calor medidas en una caja con una sola partición interna (como en la Figura 1b, donde ), particularmente en el rango de números de Rayleigh a .
El fenómeno de la trampa de fluido es un factor crítico en la dinámica térmica, que ocurre cuando las particiones internas dentro de un recinto inhiben la circulación natural. Este efecto influye significativamente en la transferencia de calor y el rendimiento general del sistema. Cuando se coloca un obstáculo en el piso en el lado caliente del recinto, como se ilustra en la Figura 2a, el fluido atrapado entre dos obstáculos se estratifica de manera estable, lo que impide la convección. Esta capa estancada da como resultado un intercambio térmico deficiente, ya que el fluido más cálido no puede mezclarse con el fluido más frío que se encuentra sobre él.
Por el contrario, cuando el obstáculo se encuentra en el lado frío (Figura 2b), puede producirse convección natural, pero el flujo puede estar restringido a una sola celda. Este movimiento restringido ilustra cómo la configuración de las estructuras internas determina el comportamiento del fluido y la eficiencia térmica. Las implicaciones del atrapamiento de fluidos son particularmente relevantes en aplicaciones como el diseño de edificios y colectores solares, donde maximizar la transferencia de calor es crucial.
Las investigaciones han demostrado que la colocación estratégica de obstáculos puede optimizar el rendimiento térmico. Por ejemplo, los estudios de Zhang et al. sobre persianas venecianas como pantallas permeables verticales muestran cómo las barreras ajustables pueden controlar el movimiento de fluidos, mejorando la eficiencia energética. Comprender y aprovechar el fenómeno de la trampa de fluidos es esencial para diseñar sistemas térmicos efectivos en diversas aplicaciones prácticas.
Los recintos parcialmente divididos proporcionan un modelo complejo pero revelador para estudiar la convección natural en sistemas del mundo real. La presencia de particiones no solo introduce nuevas características de flujo, como el atrapamiento de fluidos, sino que también afecta significativamente las tasas generales de transferencia de calor. Al comprender las resistencias térmicas y las ecuaciones que las rigen, podemos predecir y optimizar mejor la transferencia de calor en diversas aplicaciones, que van desde el diseño de edificios hasta los colectores solares.
