27818

توسعه روش شبكه بولتزمان براي شبيه‌سازي همزمان انتقال حرارت هدايت و جابه‌جايي در رژيم غيردارسي در فوم فلزي ورنوي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1399

1401/10/24

دكتر مجيد سياوشي

مهندسي مكانيك

پيش از اين، تلاش‌هاي بسياري در راستاي انجام تحليل‌هاي دقيق و جزئي از جريان و انتقال حرارت در فوم‌هاي فلزي انجام شده است. هدف از مطالعه حاضر، بررسي جريان سيال و انتقال حرارت كوپل هدايت-جابه‌جايي در مقياس حفره در فوم‌هاي فلزي سلول‌باز است. پنج نمونه فوم فلزي به عنوان المان‌هاي حجمي نماينده در مقادير مختلف ضريب تخلخل (0/80، 0/85، و 0/90) و چگالي حفره (10، 20، و 30 حفره بر واحد اينچ) با استفاده از الگوريتم موزاييك‌كاري لاگر-ورنوي توليد شده‌اند. براي انجام شبيه‌سازي‌هاي عددي مستقيم، يك حلگر جداشده شبكه بولتزمان شامل مدل زمان آسايش چندگانه براي حل جريان سيال و مدل شبكه بولتزمان تنظيم‌شده براي حل جابه‌جايي-نفوذ توسعه داده شده است. به عنوان يك نوآوري، حلگر توسعه داده شده قادر به شبيه‌سازي نفوذ-جابه‌جايي در رژيم غيردارسي است. براي لحاظ هدايت حرارتي در فوم‌هاي فلزي به طور موثر، يك دماي ثابت بالا به رشته‌هاي جامد روي صفحه ورودي اختصاص داده شده است. نتايج شبيه‌سازي جريان سيال نشان مي‌دهند كه در فوم‌هاي با ضريب تخلخل كم‌تر، گذر از رژيم دارسي به رژيم غيردارسي در اعداد رينولدز كم‌تري اتفاق مي‌افتد، درحالي كه پارامتر چگالي حفره تاثير معناداري بر روي نقطه گذار ندارد. به علاوه، مقادير نفوذپذيري فورچهايمر و ضريب β نيز محاسبه شده‌اند تا رفتار جريان غيردارسي در نمونه‌هاي فوم فلزي مقايسه و تحليل شود. براساس نتايج انتقال حرارت، فوم‌هاي فلزي در سرعت‌هاي بالا به سرعت سرد شده درحالي كه افزايش دما در سيال نيز حداقل است. هم‌چنين، با افزايش چگالي حفره از 10 به 30 حفره بر واحد اينچ و كاهش ضريب تخلخل از 0/90 به 0/80، شيب نمودار ضريب انتقال حرارت برحسب عدد رينولدز در رژيم غيردارسي به ترتيب به مقدار %190 و %17/5 افزايش مي‌يابد. در انتها، نتايج عدد نوسلت ارائه شده و تعدادي روابط همبستگي نيز پيشنهاد شده است.

1401/11/04

Coupled Simulation of Conduction-Convection Heat Transfer in the Non-Darcy Regime in Voronoi Metal Foams Using Lattice Boltzmann Method

1/14/2024 12:00:00 AM

Previously, extensive efforts have been made in performing detailed analysis of flow and heat transfer inside metal foams. This study aims to investigate fluid flow and coupled conduction-convection heat transfer at pore-scale in open-cell metal foams. Five representative elementary volume (REV) metal foam samples with different porosities (0.80, 0.85, and 0.90) and pore densities (10, 20, and 30 PPI) are generated using the Laguerre-Voronoi tessellation (LVT) algorithm. To perform direct numerical simulations, a decoupled lattice Boltzmann solver is developed utilizing the multi-relaxation-time (MRT) model for fluid flow and regularized lattice Boltzmann (RLB) model for advection-diffusion. As a novelty, this solver is able to simulate advection-diffusion in the non-Darcy regime. To consider thermal conduction in REV samples more prominently, a constant high temperature is assigned to the solid ligaments on the inlet plane. The flow results show that the transition from the Darcy to the non-Darcy regime occurs at lower Reynolds numbers in foams with lower porosity, whereas the pore density does not affect the transition point significantly. Besides, Forchheimer permeability and β coefficient are calculated in order to compare the non-Darcy flow behavior in metal foam samples. According to the heat transfer results, metal foams cool down rapidly at high flow velocities while the temperature rise in the fluid is minimal. Also, increasing pore density from 10 to 30 PPI and decreasing porosity from 0.90 to 0.80 increase the slope of h-ReK in the non-Darcy regime by 190% and 17.5%, respectively. Finally, Nusselt number results are presented and some relevant correlations are proposed.

مدل‌سازي مقياس ‌حفره , فوم فلزي ورنوي , روش شبكه بولتزمان , جريان غيردارسي , محيط متخلخل

Pore-scale modeling , Voronoi metal foam , Lattice Boltzmann method , Non-Darcy flow , Porous media

Reza Paknahad

Dr. Majid Siavashi