Análisis de la Radiación Térmica en Cavidades Bidimensionales con Obstáculos Usando el Método de los Volúmenes Finitos

Abstract

En el análisis de la transferencia de la radiación térmica, la presencia de obstáculos y obstrucciones que impiden, o perturban, el transporte radiante, genera problemas de considerable importancia. La presencia de un obstáculo opaco entra las fuentes emisora y la receptora de la radiación térmica produce un efecto de sombra, es decir, desaparece la componente de radiación directa y solo está presente la componente de radiación difusa, lo que genera problemas de estabilidad en el método numérico.
En este trabajo se estudia la transferencia de calor radiante en una cavidad bidimensional rellena con un medio participante con obstrucciones, parciales o totales, o que contiene obstáculos. Se considera que el medio se comporta como un gas gris que absorbe, emite y dispersa la radiación térmica, y que el obstáculo es opaco, es decir, no permite el transporte de energía radiante en su interior. Además, se considera que las paredes de la cavidad y las del obstáculo son grises y difusas, por lo que absorben y reflejan la radiación térmica independientemente de la longitud de onda y de la dirección de la radiación.
Se consideran diferentes configuraciones geométricas y térmicas en las que el obstáculo puede ser simple o múltiple, interior o contiguo a la pared de la cavidad y ser isotérmico o con generación de energía interna. También se consideran algunas cavidades con paredes curvas que generan obstrucciones parciales y totales. Se ha analizado la influencia del tamaño de la grilla espacial, del nivel de discretizacion angular, del coeficiente de absorción, del coeficiente de dispersión, de la reflectividad en las paredes y de la clase de dispersión, isotrópica o anisotrópica, en la fuente de calor y en el flujo de calor incidente.
La ecuación de la transferencia radiante se resuelve con el método de los volúmenes finitos y el procedimiento numérico ha sido implementado en un programa de computadora que fue utilizado para obtener los resultados presentados en este trabajo. El dominio espacial ha sido discretizado utilizando volúmenes de control estructurados y el dominio angular se ha discretizado en de ángulos de control uniformes. Las soluciones obtenidas han sido comparadas con resultados publicados y 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.