A formação de geada é um fenômeno comum observado em muitos campos diferentes. O acúmulo de gelo nas superfícies do trocador de calor prejudica significativamente a eficiência da transferência de calor1, obstrui o fluxo de fluido e interrompe o desempenho geral dos trocadores de calor2, dificultando sua operação normal3. Portanto, entender os mecanismos e o comportamento da formação de geada é fundamental para resolver esse problema em sistemas de refrigeração4. Nas últimas décadas, um corpo substancial de pesquisas tem se dedicado a investigar as causas e características da formação de geadas nesses sistemas.
Estudos experimentais demonstraram que a formação de geada é influenciada por vários fatores, incluindo temperatura do ar, umidade e temperatura da superfície fria 5,6,7,8,9,10. Numerosos achados experimentais indicaram que temperaturas mais baixas do ar de entrada tendem a resultar em camadas de gelo mais espessas6, enquanto níveis mais altos de umidade contribuem para a formação de camadas de gelo mais densas7. Song et al. estudaram a formação de geada em superfícies horizontais e descobriram que variações cíclicas de temperatura da superfície fria podem causar derretimento na interface da camada de geada, o que influencia significativamente a taxa de formação de geada, a espessura da camada de geada e a densidade dinâmica da geada8. Outra pesquisa examinou a morfologia e a distribuição da geada. Jeong et al. observaram em seus experimentos que a geada se forma inicialmente perto da enseada, levando à ocorrência de um fenômeno conhecido como colina de geada9. Noorshams et al. investigaram a formação de gelo em uma superfície de tubo circular horizontal e descobriram que as camadas de gelo nas superfícies frontal e traseira do cilindro eram mais espessas do que as das superfícies superiores10. Além disso, vários estudos 11,12,13,14,15,16 desenvolveram modelos para prever a espessura unidimensional da camada de gelo, utilizando padrões experimentais de formação de gelo junto com abordagens teóricas e empíricas. Jones e Parker desenvolveram um modelo preditivo para a espessura da geada com base na teoria da difusão molecular11. A discrepância entre o modelo e os dados experimentais permaneceu abaixo de 30% durante um período de 3 horas. Com a progressão da tecnologia computacional, um número crescente de pesquisadores recorreu à Dinâmica de Fluidos Computacional (CFD) para simular a formação de geadas. Ao contrário dos modelos unidimensionais tradicionais, as simulações CFD oferecem benefícios significativos, particularmente na visualização da distribuição da espessura do gelo e dos perfis de temperatura. Cui et al. realizaram simulações CFD de formação de geada com base na teoria da nucleação12. Suas previsões de espessura de geada mostraram um desvio de menos de 13% dos dados experimentais fornecidos por Lenic et al.13. Paralelamente, estudos de CFD sobre condensação em tubos estruturados mostraram que características geométricas como covinhas14 ou passos helicoidais15 aumentam a transferência local de calor e massa. Recentemente, You et al.16 desenvolveram um modelo CFD dinâmico baseado em malha que caracteriza a camada de gelo como um meio poroso em crescimento e incorpora a difusão de vapor diretamente, alcançando um desvio relativo de menos de 5%, mantendo baixo custo computacional. Essas descobertas ressaltam o potencial do CFD na resolução de fenômenos complexos de mudança de fase, oferecendo informações valiosas para a modelagem da formação de geada.
Em conclusão, um número significativo de estudos 5,6,7,8,9,10,11,12,13 explorou a formação de geada em superfícies frias, contribuindo para uma compreensão evolutiva dos padrões de formação de geada sob vários parâmetros. Embora vários modelos numéricos tenham sido desenvolvidos, incorporando várias dimensões e mecanismos, eles frequentemente carecem de validação abrangente. A maioria dos estudos 6,7,8,9,10,11,12,13 valida principalmente modelos usando espessura de geada, limitando sua aplicabilidade mais ampla 16. Para superar essas limitações, este artigo apresenta um modelo numérico que integra o modelo de mudança de fase de Lee e o modelo de fluxo multifásico euleriano, com ênfase nos mecanismos centrais subjacentes à formação de geada. Além disso, é introduzido um novo método para calcular o limite superior da fração de volume de geada, tendo em conta as alterações da densidade de geada dependentes do tempo, colmatando assim as deficiências dos modelos anteriores. A precisão e a confiabilidade do modelo proposto são avaliadas de vários ângulos, incluindo espessura de geada, flutuações de densidade e padrões de formação de geada em diferentes condições experimentais. Essa extensa validação oferece uma estrutura teórica robusta para prever com mais precisão o comportamento do gelo em aplicações do mundo real.