Modelagem matemática e computacional de problemas térmicos conjugados usando CUDA
Author
César Augusto Borges da Silva Reis
Advisor
- Advisor Elisan dos Santos Magalhães
Concentration Area
Propulsão Aeroespacial e Energia
Defense Date
12/06/2023
Thesis Number
79269
Abstract
A transferência de calor conjugada desempenha um papel crucial em diversas aplicações de engenharia, como o gerenciamento térmico de dispositivos eletrônicos, escudos térmicos aerospaciais e sistemas de energia. Compreender e prever com precisão os fenômenos de transferência de calor em sistemas complexos requer técnicas computacionais avançadas que possam lidar com as complexidades do acoplamento entre o escoamento de fluidos e a condução de calor. As Unidades Gráficas de Processamento (UGP) e a linguagem de programação CUDA-C, onde CUDA significa Compute Unified Device Architecture e então CUDA-C é a linguagem C com bibliotecas desenvolvida para CUDA, atêm se mostrado ferramentas poderosas para acelerar simulações científicas, oferecendo melhorias significativas em eficiência computacional e redução do tempo de simulação. Esta dissertação explora a utiliza ?c ?ao de UGPs e da linguagem de programação CUDA-C para resolver problemas de transferência de calor conjugada. Três cenários distintos de transferência de calor são investigados: a cavidade acionada por tampa, cavidade quadrada com convecção natural e cavidade quadrada com um quadrado sólido embutido no centro. Esses problemas são resolvidos usando métodos numéricos e paralelizados usando técnicas de computação em UGP para aprimorar a eficiência computacional e reduzir o tempo de simulação. O problema da cavidade acionada por tampa envolve o fluxo de um fluido dentro de uma cavidade quadrada, onde um dos lados est ?a sujeito a uma condição de fronteira de velocidade constante. Na cavidade quadrada com convecção natural, o estudo se concentra nos fenômenos de transferência de calor ocorrendo devido ao movimento do fluido impulsionado pela variação de densidade. Os efeitos da flutuabilidade induzem correntes convectivas dentro da cavidade, influenciando a distribuição de temperatura. A cavidade quadrada com um quadrado sólido no centro representa um problema de transferência de calor conjugada mais complexo. A presença do quadrado sólido influencia os padrões de fluxo e a distribuição de temperatura dentro da cavidade. Através da utilização de UGPs e da programação CUDA-C, a eficiência computacional na resolução de problemas de transferência de calor conjugada é significativamente aprimorada. Os resultados obtidos nas simulações fornecem insights valiosos sobre as características de transferência de calor, facilitando a otimização de sistemas de gerenciamento térmico e o projeto de trocadores de calor mais eficientes.
