6927

مدل سازي مقياس حفره جريان و انتقال حرارت در محيط متخلخل به روش شبكه بولتزمن

كارشناسي

مهندسي مكانيك

1399

دكتر مجيد سياوشي

1399/08/10

مهندسي مكانيك

Pore scale lattice Boltzmann modeling of flow and heat transfer in porous medium

فوم‌‌هاي فلزي به عنوان يك دسته از مواد متخلخل، از جمله مواد نسبتاً جديد مهندسي هستند كه ضمن دارا بودن ساختار پيچيده مي‌توانند در كاربردهاي گوناگون مهندسي به‌كار گرفته‌شوند. از فوم‌هاي فلزي سلول بسته با توجه به جرم پايين و استحكام بالا، در سازه‌هاي سبك، عناصر جاذب انرژي مانند ميراكننده نوسانات و يا به عنوان عايق صوتي استفاده مي‌شود. درمقابل، فوم‌هاي فلزي سلول باز، با برخورداري از ساختار نفوذپذير، نسبت سطح به حجم زياد، ايجاد مسير پر پيچ و خم براي سيال و ضريب رسانش حرارتي نسبتاً بالا، خواص حرارتي، مكانيكي، الكتريكي و آكوستيكي بسيار خوبي دارند و در گستره وسيعي از كاربردهاي حرارتي مورد استفاده قرار مي‌گيرند. تعيين خـواص حـرارتي و هـيدروديناميكي فوم‌‌‌هاي فلزي سلول باز از جمله موضوعاتي است كه پيش از به‌كارگيري آن‌‌ها بايد مورد توجه قرار گيرد. در اين پژوهش، به مـنظور تعيين خـواص حرارتي و هيدروديناميكي فوم‌‌هاي فـلزي سلول باز، بررسي اثر پارامترهاي هندسي و ساختار حفره‌‌ها بر اين خواص، شبيه‌سازي عددي مستقيم در مقياس حفره در رژيم‌‌هاي مختلف جريان انجام خواهد گرفت. براي مدل‌سازي مقياس حفره، از روش شبكه بولتزمن استفاده مي‌شود. اين روش به عنوان جايگزين حل‌گرهاي مرسوم معادله نويراستوكس به طور گسترده در جوامع علمي مورد استفاده قرار گرفته و به ديدگاهي كاربردي در ديناميك سيالات محاسباتي بدل شده‌است. پياده‌سازي ساده شرايط مرزي همراه با توليد آسان شبكه محاسباتي، امكان شبيه‌سازي جريان در هندسه‌‌هاي بسيار پيچيده را فراهم مي‌كند. بنابراين استفاده از آن در شبيه‌سازي سيستم‌هاي پيچيده همچون محيط‌‌هاي متخلخل مرسوم شده‌است. از سوي ديگر افزايش توان محاسباتي و امكان پردازش موازي، حل مسائل واقعي جريان را به روش شبكه بولتزمن ميسر مي سازد. شبيه‌سازي جريان و انتقال حرارت هدايت و جابجايي جابجايي براي سه نمونه فوم فلزي با ضريب تخلخل يكسان و چگالي حفره متفاوت انجام مي‌شود. مدل سه‌بعدي هر يك از اين فوم‌ها به صورت عددي توليد و براي شبيه‌سازي آماده شده‌است. محاسبه نفوذپذيري هر يك از اين فوم‌‌‌ها در رژيم جريان دارسي، تعيين محل گذار از رژيم جريان دارسي به رژيم جريان فورچهايمر، محاسبه ضريب فورچهايمر، محاسبه رينولدز بحراني (رينولدز محل گذار)، بررسي اثر چگالي حفره و رينولدز بر نفوذپذيري و انتقال حرارت هر يك از فوم‌ها از جمله اهداف اين پژوهش است. نتايج شبيه‌سازي نشان مي‌دهد ساختار حفره‌ها تاثير بسزايي در خواص هيدروديناميكي و حرارتي فوم‌‌‌ها دارد. به طورمثال افزايش چگالي حفره منجر به كاهش شديد نفوذپذيري و بهبود چشم‌گير انتقال حرارت فوم‌‌ها مي‌‌گردد. واژه‌هاي كليدي: فوم فلزي سلول باز، مدل‌سازي مقياس حفره، روش شبكه بولتزمن، رژيم جريان دارسي، رژيم جريان فورچهايمر.

مدل سازي مقياس حفره , شبيه سازي جريان و انتقال حرارت در محيط متخلخل , فوم هاي فلزي سلول باز , روش شبكه بولتزمن , شبيه سازي عددي