Simulación Numérica de la Radiación Térmica de Gases no Grises en un Medio Plano

Abstract

En este trabajo se ha simulado numéricamente el proceso de transferencia de calor por radiación térmica en una cavidad unidimensional de placas planas, infinitas y paralelas, rellena con un gas no gris que absorbe y emite radiación térmica. El gas no gris ha sido modelado con el Modelo Espectral de Banda Ancha y la ecuación de la transferencia radiante se ha resuelto por el Método de los Volúmenes Finitos. Existen cinco escalas diferentes del número de onda para calcular la radiación desde un gas no gris. La mayor escala corresponde al modelo de gas gris, en el cual todo el espectro de la frecuencia se considera como un solo intervalo donde las propiedades se suponen constantes, siendo el coeficiente de absorción un valor medio del intervalo. El siguiente nivel en escala corresponde al modelo de suma ponderada de gases grises, en el cual cada componente de una mezcla de gases, como el aire, es modelado como un gas gris y la energía radiante total es la suma ponderada de cada componente. Este modelo conserva las características del modelo da gases grises, pero al considerar los componentes de la mezcla por separado, es posible obtener valores del coeficiente de absorción medio mas precisos para cada componente. El tercer nivel de la escala de aproximación, esta formado por los modelos de banda ancha, en los cuales se considera que los contornos de cada banda de absorción no están definidos. Los intervalos del número de onda tienen una variación amplia y se encuentra comprendidos entre valores típicos de 100 a 1000 cm-1.
El segundo nivel de escala mas pequeña esta en el orden de 5 a 50 cm-1. En este nivel se encuentran los modelos conocidos como modelos de banda estrecha. En estos modelos (de banda estrecha y banda ancha) la ley de absorción de Beer ya no es válida debido a que las propiedades radiantes se consideran valores constante promediados en un intervalo finito de número de ondas. Finalmente, el menor nivel en escala decreciente corresponde al modelo línea a línea, donde los cálculos son efectuados en cada línea del espectro. Se analizan distintas configuraciones térmicas formadas por perfiles de temperatura uniforme, parabólico y tipo capa límite, y diferentes dimensiones de la cavidad. Las superficies de la cavidad son opacas, grises, difusas e isotérmicas. El procedimiento numérico ha sido implementado en un programa de computadora que fue utilizado para obtener los resultados presentados en este trabajo. Las soluciones obtenidas han sido comparadas con resultados publicados, obtenidos con métodos más exactos. El análisis muestra que las soluciones presentadas en este trabajo son correctas y pueden ser extendidas a situaciones más complejas con un amplio margen de seguridad.