23642

شبيه سازي جريان و انتقال حرارت در محيط متخلخل با رويكرد مقياس حفره

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك تبديل انررژي

1397

1399/11/23

دكتر مجيد سياوشي

دكتر محدثه موسوي نژاد

مكانيك

مطالعه پديده هاي انتقال جريان و حرارت در محيط هاي متخلخل كاربردهاي فراواني در حوزه هاي مهندسي همچون صنعت نفت و گاز، ذخيره گرهاي انرژي، كلكتورهاي خورشيدي، مبادله گرهاي حرارتي و غيره دارد. در اين مطالعه يك مدل عددي توانمند براي تحليل و پيش بيني اين پديده ها در ساختارهاي متخلخل با رويكرد مقياس حفره توسعه داده شده است. براي اين منظور دو حلگر عددي حجم محدود براي حل معادلات جريان و انتقال حرارت در نرم افزار منبع باز OpenFoam توسعه داده شده است. در مرحله اول پديده هيدروديناميك در محيط متخلخل در مقياس حفره مطالعه و بررسي گردد و در ادامه انتقال حرارت جابجايي و رسانش در سيال و همچنين بخش جامد مورد محاسبه قرار گيرد. اين موضوع كه كه چالشي مهم و اساسي در اين حوزه به شمار مي رود يكي از نوآوري ها و اهداف اصلي اين پروژه مي باشد. ساختارهاي متخلخل استفاده شده در اين مطالعه شامل 13 نمونه فوم فلزي سلول باز با تخلخل بالا مي باشد كه داراي خصوصيات 1815 هستند و ،181 ، هندسي متفاوت هستند. اين فوم هاي فلزي داراي سه ضريب تخلخل متفاوت 1885 همچنين داراي چگالي حفره هاي ) PPI 11،31،21،41 مي باشند. درواقع در اين مطالعه تلاش شده است تا ) براي تعدادي از فوم هاي فلزي با ساختارهاي متفاوت مطالعات جريان و انتقال حرارت در مقياس حفره بررسي شود تا به خوبي تاثير ساختار هندسي بر اين دو پديده مهم مشخص گردد. در بخش اول اين تحقيق مطالعات جريان در دو رژيم جريان دارسي و غير دارسي در طيف وسيعي از اعداد رينولدز براي 13 نمونه فوم فلزي انجام شده است تا اثر ويژگي هاي ساختاري محيط متخلخل بر پارامترهاي جرياني در دو رژيم جريان دارسي و غير دارسي مورد بررسي قرار بگيرد. انواع تحليل هاي فيزيكي و آماري براي نتايج حاصل در مقياس حفره ارائه شده است تا فهم كاملي از انتقال جريان در فوم هاي فلزي تحت اثر پارامترهاي هندسي حاصل گردد. در بخش دوم اين مطالعه نيز انتقال حرارت جابجايي-رسانشي در بخش جامد و سيال براي سه نمونه از فوم هاي فلزي با ضريب تخلخل 1885 و چگالي حفره 31 و 21 و 41 در رژيم جريان دارسي در مقياس حفره با استفاده از يك حلگر عددي قدرتمند بررسي شده است. در اين بخش اثرات پارامترهاي هندسي در بهبود انتقال حرارت در سيستم مورد بررسي قرار مي گيرد. در بسياري از مطالعات اخير، مقادير تراوايي و انتقال حرارت فوم هاي فلزي نيز براساس تئوري هاي توسعه يافته درخصوص ساختارهاي متخلخل متشكل از دانه هاي كروي، محاسبه مي گردد اما اين موضوع منجر به ايجاد خطاهاي بزرگي در محاسبات مي شود. مهمترين دستاورد اين تحقيق ارائه برآوردي نسبتا دقيق از مقادير تراوايي و ضريب انتقال حرارت در فوم هاي فلزي سلول باز مي باشد كه مي تواند در مطالعات پيش رو مورد استفاده قرار گيرد.

1400/03/04

Pore-scale simulation of hydrodynamic and heat transfer in porous media

2/12/2022 12:00:00 AM

Due to the great importance of fluid flow and heat transfer phenomena in porous structures and many applications in engineering fields such as oil and gas industry, energy storage, solar collectors, heat exchangers, etc., in this study a robust numerical model to analyze and predict these phenomena in pore-scale in porous structures has been developed. For this purpose, two finite volume numerical solvers were developed to solve the equations of flow and heat transfer in OpenFoam software to study and investigate the hydrodynamic phenomenon in the porous medium at the pore-scale at the first stage, and then the convection heat transfer in the flow field and conduction heat in the fluid and the solid part should be calculated, which is an important and fundamental challenge in this area. The porous structures used in this study include twelve samples of high porosity open-cell metal foams with different geometric properties of porosity coefficient 0.85, 0.9, 0.95, and pore density 10, 20, 30, and 40 PPI. These metal foams have three different porosity coefficients, and also have four different pore densities. In fact, in this study, an attempt has been made to study a number of metal foams with different structures of flow and heat transfer studies at the pore-scale in order to clearly determine the effect of geometric structure on these two important phenomena. In the first part of this study, flow studies in both Darcy and the non-Darcy flow regimes in a wide range of Reynolds numbers for all twelve metal foam samples have been performed to investigate the effect of porous medium structural characteristics on flow parameters in both Darcy and non-Darcy flow regimes. A variety of physical and statistical analyzes are provided for the results obtained in the pore-scale to obtain a complete understanding of the flow transfer in metal foams under the influence of geometric parameters. In the second part of this study, the convection-conduction heat transfer in the solid and fluid sections for three samples of metal foams with a specific porosity of 0.85 and different pore densities 20, 30, and 40 in the Darcy flow regime at the pore-scale is investigated using a powerful numerical solver. Geometric parameters in improving heat transfer in the system are examined.

محيط متخلخل، فوم فلزي , جريان سيال و انتقال حرارت , رويكرد مقياس حفره , چگالي حفره , اپنفوم

Porous medium , metal foam , hydrodynamics and heat transfer , Pore density , openFoam