30595

شبيه‌سازي مقياس حفره فرآيند ذخيره گرما در مواد تغيير فاز دهنده در حضور فوم فلزي گرادياني به روش شبكه بولتزمان

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1400

1402/11/30

مجيد سياوشي

مهندسي مكانيك

با توسعه استفاده از انرژي‌هاي تجديدپذير و نوسانات برخي از اين منابع انرژي در طي روز مانند انرژي خورشيدي، انرژي بادي و .... ، ذخيره‌سازي انرژي اهميت ويژه‌اي يافته است. استفاده از مواد تغيير فاز دهنده (PCM) براي ذخيره‌سازي گرما، يكي از روش‌هاي متداول براي ذخيره انرژي مي‌باشد. اين مواد كاربردهاي متنوعي را در بحث ذخيره انرژي و همينطور كنترل دما يافته‌اند. يكي از مهم‌ترين چالش‌هاي استفاده از مواد تغيير فاز دهنده، ضريب هدايت حرارتي پايين آن‌ها است كه فرآيند ذخيره و تخليه آن‌ها را كند مي‌كند. روش‌هاي مختلفي براي بهبود ضريب هدايت حرارتي مواد تغيير فاز دهنده ارائه شده است. در اين پايان نامه قصد داريم با استفاده از فوم فلزي متخلخل و پر كردن آن با مواد تغيير فاز دهنده، موجب بهبود ضريب هدايت حرارتي مؤثر ماده تغيير فاز دهنده و بهبود در سرعت فرآيند ذخيره/تخليه گرما در آن استفاده نمائيم. فوم‌هاي فلزي با تراكم حفره متغير (فوم‌هاي فلزي گرادياني) به دليل تراكم حفره متفاوت مي‌توانند در نقاط مختلف انتقال حرارت را به طور كنترل شده انجام دهند. در اين مطالعه قصد داريم فرآيند ذوب PCM را در حضور فوم فلزي گرادياني با رويكرد مقياس حفره شبيه‌سازي نموده و اثرات چيدمان‌هاي مختلف فوم فلزي و تراكم حفره را بر روي فرآيند ذوب بررسي نماييم. براي حل مسئله از كتابخانه منبع باز PALABOS استفاده شده است كه به روش شبكه بولتزمان شبيه‌سازي را انجام مي‌دهد. كد محاسباتي توسعه يافته در كتابخانه مذكور ابتدا با نتايج تجربي موجود و نتايج ساير شبيه‌سازهاي عددي مقايسه شده و سپس از آن براي شبيه‌سازي حالات مختلف استفاده شده است. 9 نمونه فوم فلزي به عنوان نماينده در مقادير مختلف چگالي حفره (20، 30 و 40 حفره بر واحد اينچ PPI) و ضريب تخلخل (85/0) و گراديان چگالي حفره در راستاي افقي و عمودي با استفاده از الگوريتم موزاييك كاري لاگر-ورنوي و كد توسعه يافته در نرم افزار Rhino توليد شده‌اند. با افزايش چگالي حفره از 20 به 30 PPI زمان ذوب مواد تغيير فاز دهنده به مقدار %5/15 كاهش مي‌يابد. همچنين اين زمان در فوم گرادياني در راستاي افقي با ميانگين چگالي حفره 30 PPI نسبت به فوم فلزي ساده با چگالي حفره 30 PPI به مقدار %65/2 كاهش مي‌يابد. در انتها، نتايج عدد نوسلت ديواره و دماي ترموكوپل‌ها ارائه شده است. مشاهده شد كه با استفاده از فوم فلزي گرادياني مي توان فرآيند ذخيره گرما در PCM را كنترل نمود و در صورت نياز تسريع كرد.

1402/12/17

Pore-scale modeling of heat storage process in the phase change material (PCM) with the gradient metal foam using Using Lattice Boltzmann Method

2/18/2025 12:00:00 AM

With the expansion of renewable energy sources and the fluctuations in their availability throughout the day, energy storage has gained special importance. The use of phase change materials (PCMs) for heat storage is one of the common methods for energy storage. These materials have found diverse applications in energy storage and temperature management. One of the major challenges in using phase change materials is their low thermal conductivity, which slows the charging and discharging process. Various methods have been proposed to improve the thermal conductivity of phase change materials. In this thesis, we aim to improve the effective thermal conductivity of the phase change material by using porous metal foams filled with PCM, thereby enhancing the heat storage/ release process rate. Gradient metal foams have variable pore density (gradient metal foams) and can control heat transfer at different locations due to their varying pore density. In this study, we intend to simulate the PCM melting process in the presence of gradient metal foams using a pore-scale simulation approach and investigate the effects of different foam configurations and pore density on the melting process. To solve the problem, we utilized the open-source library PALABOS, which performs simulations using the lattice Boltzmann method. The developed computational code was first compared with available experimental results and results from other numerical simulations. It was then used to simulate various scenarios. Nine samples of metal foams were generated as representatives with different pore density values (20, 30, and 40 pores per inch (PPI)) and porosity (0.85), and horizontal and vertical pore density gradients using the Laguerre-Voronoi tessellation algorithm and the developed code in Rhino software. Increasing the pore density from 20 to 30 PPI decreased the PCM melting time by 15.5%. Furthermore, in the horizontally gradient foam with an average pore density of 30 PPI, the melting time was reduced by 2.65% compared to the simple metal foam with a pore density of 30 PPI. Finally, the results of the Nusselt number and thermocouple temperatures are presented. It was observed that using gradient metal foams enables the control of the heat storage process in PCM and can accelerate it if necessary.

مدل‌سازي مقياس ‌حفره , مواد تغيير فاز دهنده(PCM) , فوم فلزي ورنوي , روش شبكه بولتزمان , محيط متخلخل

Pore-scale modeling , Phase change material(PCM) , Voronoi metal foam , lattice boltzmann method , porous media

Reza Tousi

Majid Siavashi