25666

شبيه سازي جريان و انتقال حرارت با رويكرد مقياس حفره در فوم فلزي متخلخل سلول باز با در نظر گرفتن جابه جايي و هدايت حرارتي

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1398-1400

1400/8/9

مجيد سياوشي

مهندسي مكانيك

در اين تحقيق به شبيه‌سازي جريان و انتقال حرارت با رويكرد مقياس حفره در فوم فلزي متخلخل سلول باز با در نظر گرفتن جابه‌جايي اجباري و هدايت حرارتي پرداخته ‌شده است. فوم هاي فلزي به دو شكل سلول بسته و سلول باز موجود هستند. شبيه‌سازي مقياس حفره شامل شبيه‌سازي به روش شبكه حفره‌ها و شبيه‌سازي مستقيم است. مفهوم شبيه سازي مستقيم در اين بحث متفاوت با مفهوم آن در شبيه‌سازي جريان آشفته است. منظور از شبيه سازي مستقيم، حل معادلات بدون در نظر گرفتن جملاتي كه در شبيه سازي مقياس بزرگ به معادلات افزوده مي‌شود و همچنين شبيه سازي هندسه فوم فلزي بدون ساده‌سازي در حفره‌ها است. منظور از شبيه‌سازي مقياس حفره در اين مطالعه، شبيه‌سازي مستقيم است كه دقيق‌ترين حالت شبيه‌سازي يك محيط متخلخل بوده و كمك مي كند تا به فهم بهتري نسبت به پديده هاي مختلفي كه درون محيط متخلخل اتفاق مي‌افتد، دست‌يابيم. براي انجام شبيه‌سازي، سه نمونه فوم فلزي با چگالي حفره PPI20 و ميزان تخلخل‌هاي 6/76، 38/84 و 8/93 درصد مورد ارزيابي قرارگرفته است. در اين پژوهش از نرم‌افزار OpenFOAM كه نرم‌افزاري رايگان و منبع باز است، براي انجام شبيه‌سازي‌ها استفاده ‌شده است. اين نرم‌افزار با زبان برنامه‌نويسي C++ توسعه يافته است و از روش حجم محدود براي حل مسائل بهره مي برد. در مطالعات انجام‌شده در حوزه فوم فلزي سلول باز، از روش‌هاي عكس‌برداري و ساختارهاي ايده‌آل كه به‌صورت عددي توليد مي‌شوند، براي مدل‌سازي استفاده ‌شده است. همچنين در اكثر مطالعات صورت گرفته بر روي انتقال حرارت، مكانيسم جابه‌جايي اجباري و در بعضي ديگر تركيب مكانيسم جابه‌جايي اجباري و تشعشع ارزيابي ‌شده است و توجه اندكي به اثرات همزمان رسانش و جابه‌جايي اجباري شده است. پژوهش حاضر به بررسي رژيم‌‌هاي جريان دارسي و غير دارسي، اثرات پارامترهاي هندسي مربوط به فوم فلزي، اثرات همزمان دو مكانيسم انتقال حرارت هدايتي و جابه‌جايي اجباري و جنس فوم فلزي خواهد پرداخت. براي انجام شبيه‌سازي از هندسه‌هاي توليدي با ساختاري تصادفي، غير ايده‌‌آل و مشابه با هندسه‌هاي حاصل از عكس‌برداري فوم فلزي حقيقي و حلگر توسعه داده ‌شده در نرم‌افزار OpenFOAM استفاده ‌شده است. يافته‌هاي تحقيق حاضر نشان داده‌اند كه در چگالي حفره ثابت، ارتباط معناداري ميان ضريب انتقال حرارت جابه‌جايي، توزيع دمايي در فوم فلزي و افت فشار با ميزان تخلخل وجود دارد. مطالعه حاضر نشان مي‌دهد كه افزايش ميزان تخلخل در چگالي حفره ثابت فوم فلزي، افت فشار، ضريب انتقال حرارت جابه جايي اجباري و ضريب انتقال حرارت اجباري جابه جايي حجمي كاهش پيدا مي كنند. ضريب انتقال حرارت جابه‌جايي اجباري حجمي، كميتي ماكروسكوپيك است كه در شبيه ساز‌ي هاي مقياس بزرگ مورد استفاده قرار مي‌گيرد. همچنين مقادير نفوذپذيري و ضريب فورچهيمر براي هندسه‌هاي توليدي محاسبه گرديده و با نتايج تجربي و شبيه‌سازي‌هاي عددي ديگر تحقيقات مقايسه شده است و همخواني مناسبي بين آن ها وجود دارد. در بخش ديگري از مطالعه براي بررسي تاثير شرايط مرزي، مقايسه‌اي بين نتايج حاصل از شبيه‌سازي با و بدون در نظر گرفتن هدايت حراتي انجام شده است و نتايج تاثير بررسي هدايت حرارتي را به خوبي نشان مي‌دهند.

1400/09/17

Pore-scale simulation of flow and heat transfer in open cell porous metal foams considering convection and conduction

10/31/2022 12:00:00 AM

In this research, simulation of flow and heat transfer with the pore-scale approach in open-cell metal foam has been investigated by considering forced convection and thermal conductivity. The pore-scale simulation includes network simulation and direct simulation. The second one is considered in this study, which is the most accurate approach for porous media. The concept of direct simulation in this topic is different from its concept in turbulent flow simulation. Simplifications performed in large-scale and network simulation are not included in direct simulation. This study evaluated three samples of open-cell metal foam with a pore density of 20 PPI and porosity of 76.6%, 84.38%, and 93.8%. OpenFOAM software, free and open-source software, has been used to perform simulations. This software is written in the C++ programming language and uses the finite volume method. Studies have used imaging techniques or geometries with an ideal structure for simulation. The imaging techniques is expensive and the ideal structure is different from real metal foam. Also, in most studies on heat transfer, the mechanism of forced convection, and in some others, the combination of forced convection and radiation has been evaluated, and little attention has been paid to the combined effects of conduction forced convection. The present study investigated Darcy and non-Darcy flow regimes, the effect of geometric parameters related to open-cell foam, the combined effect of conductive heat transfer and forced convection, and the material of open-cell foam. Production geometries with a random structure, non-ideal and similar to the geometries obtained from real open-cell foam and developed solver in OpenFOAM software. The present study results demonstrate a significant relationship between heat transfer coefficient, the temperature distribution in open-cell foam, and pressure drop with porosity at constant pore density. The present study shows increasing porosity at constant pore-density of open-cell foam decreases pressure drop and heat transfer coefficient. Also, the values of permeability and Forchheimer coefficient for production geometries have been calculated and compared with experimental results and numerical simulations of other researches. Finally, to investigate the effect of boundary conditions, a comparison was made between the simulation results with and without considering the thermal conductivity.

فوم فلزي سلول باز , انتقال حرارت جابه‌جايي , انتقال حرارت هدايتي , رژيم جريان دارسي و غير دارسي , شبيه‌سازي مقياس حفره , فوم فلزي سلول باز با ساختار تصادفي

Open cell metal foam , Forced convection heat transfer , Conductive heat transfer , Darcy and non-Darcy flow regime , pore scale simulation , Open cell metal foam with random structure