20950

۲۰۹۵۰

مطالعه عددي و تجربي محيط متخلخل فيبري به منظور استخراج ضرايب معادل حاكم بر پديده‌هاي انتقال با استفاده از روش شبيه‌سازي در مقياس حفره‌ها

دكتري

تبديل انرژي

۱۳۹۲-۱۳۹۸

۱۳۹۸/۰۲/۲۳

دكتر سيد مصطفي حسينعلي پور

مكانيك

روند روبه‌جلو طي چند دهه اخير در زمينه مدل‌سازي پديده‌هاي انتقال (انتقال جرم، مُمنتوم و انرژي) در محيط‌هاي متخلخل مديون پيشرفت در سه حوزه مي‌باشد: توسعه روش‌هاي عددي، پيشرفت تجهيزات محاسباتي و تكنيك‌هاي تصويربرداري. توجه به اين نكته ضروري است كه جزئيات موجود در هندسه محيط متخلخل در مقياس حفره‌ها، تأثير قابل‌توجهي بر پديده‌هاي انتقال خواهد داشت. بنابراين هنگام شبيه‌سازي، واردكردن جزئيات هندسي يا تأثير آن‌ها ضروري مي‌نمايد. از اين موضوع در ادبيات فن اغلب تحت عنوان "شبيه‌سازي انتقال در مقياس حفره‌ها" ياد مي‌شود. با اين‌حال، عموماً شبيه‌سازي تمام مسئله در اين مقياس، امكان‌پذير نيست. از طرفي در مدل‌هاي "ماكروسكوپيك"، امكان ارائه جزئيات هندسي وجود ندارد و تنها در صورتي توانايي نشان دادن اثر جزئيات مقياس كوچك را دارند كه مقادير مناسب براي پارامترهاي انتقال، در آن‌ها استفاده شود. انتخاب اين مقادير مناسب براي ضرايب پارامترها آسان نيست و تنها با داشتن اطلاعات ازآنچه در مقياس حفره‌ها رخ مي‌دهد، امكان‌پذير خواهد بود. در پژوهش حاضر پديده‌هاي انتقال در احتراق بدون شعله گاز متان داخل محيط‌ متخلخل فيبري و درعين‌حال فعال كاتاليستي به‌منظور استخراج ضرايب معادل در مقياس حفره‌ها شبيه‌سازي گرديده و ضرايب موردنظر براي شبيه‌سازي اين سيستم‌ها در مقياس ماكرو با استفاده از تكنيك شبيه‌سازي محاسبه شده است. براي اين منظور پارامترهاي هندسي محيط متخلخل فيبري با استفاده از تصاوير ميكروسكوپ الكتروني، تعيين گرديد و الگوريتم مناسب جهت بازسازي مجازي هندسه در ابعادي به نمايندگي كل محيط توسعه داده شد. سپس ضرايب معادل نفوذپذيري، انتقال حرارت هدايتي، انتقال حرارت تابشي و نفوذ جرم گونه‌هاي شيميايي محاسبه گرديد. با توجه به اهميت تأثير جزئيات هندسي بر پديده‌هاي انتقال، اثر كسر حجمي جامد، جهت‌گيري و قطر فيبرها بررسي و مشخص شد كه كسر حجمي جامد بيش‌ترين تأثير را بر ضرايب مذكور دارد. با استفاده از نتايج بدست آمده براي يك فيزيك مشخص، شبيه‌سازي در مقياس ماكرو انجام شد. توزيع دماي بدست آمده تطابق خوبي با نتايج اندازه‌گيري شده در پژوهش حاضر داشت و نتيجه شبيه‌سازي خطاي 6/4% را در محاسبه نرخ واكنش كاتاليستي متان به‌همراه داشت. با استفاده از اين روند، ضرايب مورد نياز در شبيه‌سازي ماكرو، بدون استفاده از ضرايب تجربي يا اندازه‌گيري مستقيمِ مربوط به شرايط خاص، بدست آمد. از روند ارائه شده در اين پژوهش مي‌توان به عنوان ابزاري با دقت مناسب و نسبتاً سريع در بهينه‌سازي عملكرد سيستم‌هاي احتراق كاتاليستي در محيط متخلخل فيبري استفاده نمود.

1398/05/23

Numerical and Experimental Study of Fibrous Porous Media for Calculating the Transport Phenomena Effective Coefficients Using Pore-Scale Simulation Method

5/13/2021 12:00:00 AM

The porous structure on pore scale have significant effects on the transport phenomena inside the porous media. Therefore, it is necessary to consider the pores geometric details or their effects in the porous media simulations. The progress in numerical methods, computing equipment, and imaging techniques in the recent decades have led to an impressive improvement in modeling momentum, heat and mass transfer inside the porous media. However, Consideration of the geometrical details in the whole domain usually causes high computational costs and it is not practical. Therefore, it is customary to focus on a very small part of the physical domain as a representative of the whole in the numerical simulations and calculate the effective transport coefficients in which the pores structure effects are included. This approach which is called "pore-scale simulation" can predict trusted results only with the knowledge of what is really happening in the pore scale. In the present study, the transport phenomena in fibrous porous medium were simulated in the pore scale to calculate the effective coefficients. These coefficients were used in an equivalent medium for macro scale simulation of methane catalytic combustion in this type of the porous medium. The geometric structure details of the fibrous porous medium were determined using Scanning Electron Microscopy and the algorithm for virtual geometry reconstruction was developed. The dimensions for the reconstructed geometry were selected as to be a representative volume element for the whole physical domain and the effective coefficients for the permeability, thermal conductivity and radiation heat transfer and chemical species mass diffusivity were calculated and validated by experimental results in the literature. The effects of the Solid Volume Fraction, fibers orientation and diameter were studied and it was shown that the Solid Volume Fraction has the most effect on these coefficients. An experimental setup was also developed in the present study to validate the temperature distribution and methane conversion rate of the macro scale simulations. The simulation temperature distribution was in good agreement with the measured data and had a 6.4% error in estimating the methane conversion rate. Using this process, the required coefficients in the macro simulation were calculated without using empirical coefficients or direct measurements for the specific conditions. The process presented in this study can be used as an accurate and fairly quick tool to optimize the transport phenomena in fibrous porous media for specific applications, including but not limited to catalytic combustion, heat insulators, filters and also can be implemented for other types of porous media.