17913

17913

توليد هندسه ي محيط متخلخل فيبري در مقياس كوچك با هدف بررسي اثر پارامترهاي هندسي بر نفوذپذيري و هدايت حرارتي

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي

فروردين ماه 1396

دكتر سيدمصطفي حسينعلي پور - دكتر غلامرضا شهرياري مقدم

مكانيك

طي چند دهه‌ي اخير گام هاي مهمي در زمينه‌ي مدل‌سازي پديده هاي انتقال در محيط هاي متخلخل برداشته شده است. تغييرات موجود در هندسه ي محيط متخلخل در سطح حفره ها، تاثير قابل توجهي بر پديده هاي انتقال مانند جريان سيال و انتقال حرارت خواهد داشت. بنابراين وارد كردن جزئيات هندسي هنگام شبيه سازي عددي پديده هاي انتقال ضروري مي نمايد كه در ادبيات فن اغلب از آن تحت عناويني چون شبيه سازي انتقال در مقياس ميكرو ياد مي شود. با اين حال، عموما شبيه سازي تمام مسأله در مقياس ميكرو امكان پذير نيست. يك روش براي حل اين محدوديت، شبيه‌سازي بخشي از هندسه در مقياس كوچك و استخراج پارامترهاي مورد استفاده در شبيه‌سازي ماكرو مي باشد. در اين پژوهش به شبيه سازي عددي نفوذپذيري و انتقال هدايت حرارتي محيط متخلخل فيبري مورد استفاده در هيترهاي تشعشعي كاتاليستي در مقياس ميكرو پرداخته شد. هندسه ي محيط متخلخل مورد نظر با استفاده از مشخصات به دست آمده از تصويربرداري ميكروسكوپي، در قالب يك كد بازسازي شد و جريان سيال و انتقال حرارت هدايتي در آن شبيه سازي گرديد. اندازه ي دامنه ي محاسباتي با توجه به مقياس برينكمن و همچنين بررسي استقلال نتايج به دست آمده از اندازه ي سلول محاسباتي به گونه اي تعيين شد كه بتواند نماينده ي مناسبي از كل محيط متخلخل فيبري مورد نظر باشد. جريان سيال در محدوده ي رينولدز كم تر از واحد در نظر گرفته شد تا اثرات اينرسي قابل صرف نظر باشد. پس از بررسي استقلال نتايج از تعداد سلول محاسباتي در دامنه و اعتبارسنجي مدل به دست آمده با نتايج و روابط موجود در ادبيات فن، تأثير پارامترهاي هندسي محيط متخلخل از قبيل ميزان كسر حجمي جامد، نحوه ي جهت‌گيري فيبرها در فضا و همچنين قطر آن ها بر ضرايب نفوذپذيري و انتقال حرارت هدايتي معادل بررسي گرديد. طبق نتايج به دست آمده، با افزايش كسر حجمي جامد محيط متخلخل فيبري، از ميزان نفوذپذيري كاسته شده و ضريب هدايت حرارتي معادل افزايش مي يابد. با افزايش زاويه ي بين راستاي جريان (سيال يا گرما) و فيبرها، از نفوذپذيري كاسته شده و ضريب هدايت حرارتي معادل نيز كاهش مي يابد. با افزايش قطر فيبرها نفوذپذيري محيط افزايش يافت اما تأثير چنداني بر ضريب هدايت حرارتي معادل نداشت چرا كه كسر حجمي جامد ثابت بود. كلمات كليدي : محيط متخلخل فيبري، شبيه سازي در مقياس كوچك، توليد هندسه، نفوذپذيري، هدايت حرارتي

1396/07/18

4/20/2019 12:00:00 AM

Over the past recent decades, modeling transport phenomena in porous media has been progressed significantly. Changes on the geometry of the pores in the porous medium, causes significant impacts on transport phenomena such as fluid flow and heat transfer. So, considering the geometric details in numerical simulations of transport phenomena is necessary which is often mentioned in the literature as micro-scale transport simulation. However, it is generally not possible to simulate the whole problem in micro-scale. Micro-scale simulation of a part of the whole geometry and calculating the parameters which will be used in macro-simulation is an approach to solve this limitation. In this study, numerical simulation of permeability and thermal conduction in a fibrous porous medium used in radiative catalytic heaters have been studied in micro-scale. By using the structural properties obtained from microscopic imaging, the geometry of the porous medium was rebuilt in the form of a code and fluid flow and thermal conduction of this geometry were simulated. According to Brinkman screening length and independence of obtained results from the computational cell size, the computational domain was determined in such a way that be a suitable representative of the fibrous porous medium. To exclude the inertial effects, fluid flow was considered in the range of Reynolds less than unit. After studying the independence of results from mesh numbers, and model validation with results and correlations in literature, the influence of geometrical parameters of the porous medium such as solid volume fraction, fibers diameters and their orientations in space on permeability and effective thermal conductivity coefficients were investigated. According to the obtained results, by increasing the solid volume fraction, permeability decreases but thermal conductivity coefficient increases. Also, as the angle between flow (either fluid or heat flow) direction and fibers increases, permeability and effective thermal conductivity decreases. Increasing fibers diameters increases the permeability but has no significant effect on effective thermal conductivity coefficient because of the consistency of the solid volume fraction. Keywords: fibrous porous medium, micro-scale simulation, geometry generation, permeability, thermal conduction.