22179

مدل سازي رياضي و شبيه سازي انتقال حرارت در محيط متخلخل تحت شرايط عدم تعادل حرارتي

كارشناسي ارشد

تبديل انرژي - علوم حرارتي

1398-1399

1399/03/27

دكتر مجيد سياوشي

مكانيك

بهبود انتقال حرارت در تجهيزات حرارتي، از جمله هيت سينك ها، موضوعي است كه تاكنون تحقيقات گسترده اي روي آن انجام گرفته است. روش هاي مختلفي جهت افزايش انتقال حرارت در هيت سينك ها توسط محققين، مورد بررسي قرار گرفته است. استفاده از محيط متخلخل يكي از روش هايي است كه براي بهبود سيستم خنك كاري كاربرد دارد و موجب افزايش نرخ انتقال حرارت و افت فشار درون هيت سينك متخلخل مي شود. فوم فلزي به عنوان يك ماده متخلخل نوين، به دليل ويژگي هاي فراپندار از جمله، چگالي بسيار كم و رسانندگي حرارتي زياد و به سبب كاربرد فراوان در سيستم هاي خنك كاري و انتقال حرارت، در سال هاي اخير حائز اهميت شده است. فوم فلزي در هيت سينك ها جهت خنك كاري قطعات داغ الكترونيكي و سيستم هاي سرمايشي مورد استفاده قرار مي گيرد. هدف در اين پايان نامه، ارائه يك مدل رياضي جهت بررسي انتقال حرارت در هيت سينك پوشيده شده با يك لايه فوم فلزي سلول باز زير جريان جت برخوردي مي باشد. هيدروژن و هوا به عنوان سيال خنك كننده در نظر گرفته شده اند. روابط دارسي، برينكمن و فورچهيمر و مدل عدم تعادل حرارتي محلي (LTNE) يا مدل دو-معادله اي انرژي براي فاز جامد و سيال محيط متخلخل، بكار گرفته شده اند. معادلات ديفرانسيل با مشتقات جزئي (PDEs) تحت شرايط عدم تعادل حرارتي توسط روش حل تشابهي به معادلات ديفرانسيل معمولي (ODEs) تبديل گشته و با استفاده از حلگر BVP4C در نرم افزار متلب به صورت عددي حل شده اند. آن گاه، مدل رياضي تشابهي ارائه شده با نتايج تحليلي، تجربي و همينطور نتايج بدست آمده از نرم افزار تجاري فلوئنت مقايسه و اعتبارسنجي شده است. در بخش نتايج، تاثير پارامتر هاي دخيل در مسئله شامل مشخصات فيزيكي فوم فلزي، اعداد بي بعد دارسي (ِDa)، رينولدز (Re)، پارامتر هاي هندسي هيت سينك و مقايسه فرض تعادل حرارتي و عدم تعادل حرارتي محلي بر روي پروفيل هاي سرعت بدون بعد، توزيع دما و همچنين انتقال حرارت بررسي شده اند. نتايج مسئله حاكي از آن است كه در نسبت ضرايب هدايت حرارتي موثر (β) كم، لزوم استفاده از شرط عدم تعادل حرارتي محلي تأكيد مي شود و در اين محدوده از ميزان دقت بالايي برخوردار است. علاوه بر اين، عملكرد خنك كاري فوم فلزي با افزايش اعداد رينولدز و دارسي و كاهش نسبت اندازه هيت سينك (H/L) بهبود مي گردد.

1399/04/17

Mathematical modeling and simulation to study the heat transfer of porous media under local thermal non-equilibrium

6/17/2021 12:00:00 AM

Nowadays, the study of flow and thermal performance in porous media is very noteworthy. In this thesis, a mathematical model for the study of heat transfer in a heat sink covered by an open-cell metal foam under the impinging jet flow is presented. Hydrogen and air are considered as the cooling fluids. The Darcy-Brinkman-Forchheimer relationship and the two-equation model (LTNE) for the fluid and solid phases of the porous medium have been used to derive the momentum and energy equations, respectively. Partial differential equations (PDEs) have been converted to simpler equations (ODEs) under the local thermal non-equilibrium condition by similarity solution and have been solved numerically using the BVP4C solver. Then, the mathematical model of similarity solution was validated with the analytical, experimental results and Fluent commercial software. In the results section, the effect of the parameters involved in the problem including the physical characteristics of the metal foam, Darcy, Reynolds and Nusselt numbers, the geometric parameters of the heat sink and the comparison of the LTE and LTNE were investigated. The results indicate that in the small effective thermal conductivity ratio, the need to use the LTNE is emphasized and in this range, it has a high degree of accuracy. Also, the cooling performance of the metal foam is improved by increasing the Reynolds and Darcy numbers and decreasing the aspect ratio of the heat sink.

فرض عدم تعادل حرارتي , حل تشابهي , فوم فلزي سلول باز , هيت سينك متخلخل , خنك كاري برخوردي

Local thermal non-equilibrium (LTNE) , Similarity solution , Open-cell metal foam , Porous heat sink , Impingement jet cooling