Analisi della convezione naturale in una cavità quadrata: condizioni termiche di periodicità

Il presente lavoro di tesi studia numericamente la convezione naturale in una cavità quadrata bidimensionale riscaldata lateralmente, con l'obiettivo di indagare una configurazione non ancora documentata in letteratura: la sostituzione delle classiche pareti orizzontali adiabatiche con condizioni al contorno di periodicità termica, che modellano una pila verticale illimitata di cavità identiche separate da pareti di spessore e resistenza termica trascurabili. Le simulazioni sono condotte in OpenFOAM con un solutore dedicato, buoyantBoussinesqSimpleFoamLaminar, sviluppato a partire dal solutore standard nell'ambito dell'approssimazione di Boussinesq. Il solutore è dapprima validato sul benchmark di De Vahl Davis (Pr = 0.71, Ra = 10³–10⁶): mediante un'analisi sistematica di convergenza su griglie uniformi e graduate. Le condizioni periodiche, realizzate mediante la condizione mappedField con mappatura incrociata tra le pareti orizzontali, garantiscono la periodicità del gradiente termico come identità algebrica della discretizzazione, mentre quella del valore di temperatura è raggiunta come limite del processo iterativo. I risultati, ottenuti per Ra = 10²–10⁵ su griglia 175×175, evidenziano tre effetti principali: la riduzione sistematica dello scambio termico alle pareti attive rispetto al caso adiabatico; la continuità delle isoterme attraverso le pareti orizzontali, con struttura idrodinamica sostanzialmente inalterata; l'insorgere di un trasporto netto di calore verticale attraverso la pila, alimentato dalla stratificazione termica indotta dalla convezione. I risultati sono rilevanti per strutture ripetitive soggette a riscaldamento laterale, quali componenti elettronici impilati e scambiatori a piastre.