30901

استخراج پارامتر هاي موثر در فرآيند ذوب مواد تغيير فاز دهنده در فوم فلزي متخلخل با رويكرد مقياس حفره

دكتري تخصصي (PhD)

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1396

1402/10/25

مجيد سياوشي - مهدي بيدآبادي

ندارم

مهندسي مكانيك

استفاده از مواد تغيير فازدهنده، يكي از كارآمد ترين روش هاي ذخيره سازي گرما است. اما محدوديت‌هايي مانند بيش سرمايش، جدايش فاز و ضريب هدايت حرارتي پايين، مطالعات پيرامون بهبود كارآيي آنها را جذاب نمايد. يكي از روش هاي افزايش ضريب هدايت حرارتي موثر مواد تغيير فازدهنده استفاده از فوم فلزي متخلخل است. روش شبكۀ بولتزمن در مطالعۀ عددي جريانات سيال به دليل، برنامه‌نويسي آسان، پايداري بالا و همگرايي بسيار مورد توجه قرار گرفته است. رويكرد مقياس حفره در مطالعه ي انتقال حرارت و ذوب در فوم فلزي اشباع شده با مواد تغيير فاز دهنده، به دليل پيچيدگي هندسي بالا، كارآمد خواهد بود. هدف از انجام اين رساله، شبيه سازي انتقال حرارت در مادۀ تغيير فاز دهندۀ تركيبي ياد شده و تحليل حساسيت و بررسي تاثير پارامترهاي مادۀ تغيير فاز دهنده و فوم فلزي بر روي نرخ انتقال حرارت و نرخ ذوب مي‌باشد. اين شبيه سازي به روش شبكۀ بولتزمن و بر بستر نرم افزار منبع باز پالابوس صورت گرفت. ابتدا كدي دو بعدي براي شبيه‌سازي فرآيند ذوب مواد تغيير فاز دهنده بهبود يافته با ماتريس فلزي توسعه يافت. چيدمان بهينۀ حفره‌ها كه متاثر قطر حفره و قطر و تعداد مسيرهاي هدايت حرارتي است معرفي شد. سپس با توسعه ي كد سه بعدي و طراحي آزمايش، داده برداري از آزمايش و مقايسۀ نتايج آن با نتايج عددي، فرآيند صحت سنجي بر روي آن صورت گرفت. مطالعه ي سه بعدي و صحت سنجي اوليه ي نتايج با نتايج آزمايشگاهي واقعي در اين زمينه بسيار معدود است. پس از صحت سنجي شبيه سازي‌ها با استفاده از هندسه‌هاي توليد شده نرم افزاري با ساختار Voronoi كه بسيار نزديك به هندسۀ فوم مورد آزمايش هستند، انجام شد. پس از دستيابي به ابزار مناسب تحليل حساسيت، پارامترهاي ضريب تخلخل، تراكم حفره، نسبت ضريب هدايت حرارتي فوم به پارافين و عدد بي بعد استفان، مطالعه شد. نتايج نشان ميدهد يك ضريب تخلخل بهينه براي بهبود سرعت ذوب وجود دارد. با افزايش ضريب تخلخل، حجم پارافين افزايش ميابد اما به دليل افزايش مسيرها تا ضريب تخلخل 85% زمان ذوب فقط 2% افزايش ميابد. تراكم حفرۀ بالاتر، منجر به افزايش تعداد مسير هاي هدايت حرارتي شده و ماده ي تغيير فاز دهنده را در حفره هاي كوچكتر با تعداد بيشتر محبوس مينمايد و سرعت ذوب را زياد ميكند. اين امر با مقايسه ي تعداد حفره بر اينچ 10، 15 و 20 مطالعه شد. تراكم حفره ي بالاتر، ميزان غلبه ي هدايت حرارتي در فوم بر هدايت حرارتي در پارافين چسبيده بر ديواره را شديد تر مينمايد. نسبت ضريب هدايت حرارتي بالاتر بين فوم فلزي و ماده ي تغيير فاز دهنده نيز منجر به افزايش سرعت ذوب ميشود. در نهايت عدد استفان بيشتر نيز منتج به سرعت ذوب بالاتر خواهد شد.

1403/03/07

Extraction of effective parameters in the melting process of phase change materials in porous metal foam with pore-scale approach

1/1/1900 12:00:00 AM

The use of phase change materials is one of the most efficient methods of heat storage. However, limitations such as supercooling, phase separation, and low thermal conductivity make studies on improving their efficiency attractive. One of the ways to increase the effective thermal conductivity of phase change materials is to use porous metal foam. The Lattice Botlzmann Method has received much attention in the numerical study of fluid flows due to its easy programming, high stability, and convergence. The pore-scale approach will be suitable in the study of heat transfer and melting in metal foam saturated with phase change materials, due to its high geometric complexity. The purpose of this thesis is to simulate the heat transfer in the mentioned combined phase change material and analyze the sensitivity and investigate the effect of the parameters of the phase change material and metal foam on the heat transfer rate and melting rate. This simulation was done using the Lattice Botlzmann Method on the platform of Palabos open-source software. First, a two-dimensional code was developed to simulate the melting process of improved phase change materials with metal matrix. The optimal arrangement of pores, which is affected by the pore diameter and the thickness and number of thermal conduction paths, was introduced. Then, by developing the 3D code and designing the experiment, taking data from the experiment, and comparing its results with numerical results, the verification process was carried out on it. The three-dimensional study and initial validation of the results with real laboratory results is unique in this field. After validation, the simulations were performed using software generated geometries with Voronoi structure that are very close to the geometry of the tested foam. After obtaining the appropriate tool for sensitivity analysis, the parameters of porosity coefficient, pore density, thermal conductivity coefficient ratio of foam to paraffin and dimensionless Stefan number were studied. The results show that there is an optimal porosity coefficient to improve the melting speed. With the increase of the porosity coefficient, the volume of paraffin increases, but due to the increase of the paths up to the porosity coefficient of 85%, the melting time only increases by 2%. A higher cavity density leads to an increase in the number of thermal conduction paths and traps the phase change material in smaller cavities with a greater number and increases the melting speed. This was studied by comparing the number of pores per inch of 10, 15 and 20. The higher density of the pores makes the degree of dominance of the thermal conductivity in the foam over the thermal conductivity in the paraffin attached to the wall more intense. A higher thermal conductivity coefficient ratio between the metal foam and the phase change material also leads to an increase in the melting speed. Finally, a higher Stefan number will result in a higher melting speed.

روش شبكه ي بولتزمن , مواد تغيير فاز دهنده , شبيه سازي مقياس حفره , ذخيره سازي گرما , محيط متخلخل , فوم فلزي

Lattice Boltzmann method , Phase change materials , pore-scale Simulation , heat storage , porous media , Metal foam

Milad Shirbani

Dr. Majid Siyavashi - Dr.Mehdi Bidabadi