Estudio numérico avanzado de fenómenos de transferencia de calor por conducción, convección natural y convección forzada
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Abstract
Este trabajo presenta el desarrollo e implementación de soluciones numéricas para problemas de transferencia de calor y dinámica de fluidos, empleando distintos métodos de discretización y algoritmos computacionales resueltos con MATLAB. El estudio se estructura en cinco casos, cada uno centrado en un conjunto de ecuaciones gobernantes y técnicas de resolución. En primer lugar, se analiza la ecuación de transferencia de calor por conducción 1D considerando condiciones iniciales y de contorno. Se aplican tres métodos de discretización temporal: explícito, implícito y Crank‑Nicolson. La resolución del sistema lineal se realiza mediante el método iterativo de Gauss‑Seidel. Se evalúa un caso de conducción transitoria 1D en el que se implementa un algoritmo general, se generan gráficos, se estudia el tiempo computacional y se calcula el error asociado a cada esquema. A continuación, el estudio se amplía a 2D, utilizando distintos tipos de condiciones de contorno, tratamiento en interfaces entre cuatro materiales diferentes y se realiza un análisis visual mediante mapas de temperatura. Posteriormente se aborda la ecuación de convección‑difusión, partiendo de la ecuación de conservación de la masa. Se implementan los esquemas convectivos UDS y CDS, aplicándolos al caso Smith‑Hutton. Finalmente, se resuelven las ecuaciones de Navier‑Stokes mediante el Fractional Step Method. Se consideran dos casos: Lid Driven Cavity y Differentially Heated Cavity, incluyendo en este último la hipótesis de Boussinesq y la ecuación de conservación de la energía. Cada capítulo incluye el planteamiento del problema, la discretización de las ecuaciones, el algoritmo general implementado, así como resultados numéricos, generación de gráficos, comparación con soluciones de referencia, estudio del error y análisis del tiempo computacional. Este enfoque permite evaluar el rendimiento y la precisión de distintos métodos numéricos aplicados a fenómenos de transporte térmico y de fluidos.