25819

شبيه سازي دو فازي جريان نانوسيال در محيط متخلخل با رويكرد مقياس حفره

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1398-1400

1400/08/18

مجيد سياوشي

مهندسي مكانيك

نانوسيال به سيالي گفته ميشود كه ذرات با ابعاد بين يك تا صد نانومتر به صورت پايدار به سيال پايه افزوده شود. نانوسيال خواص ترموفيزيكي سيالات را تغيير ميدهند و اين خواص ميتواند در جهت افزايش بهبود حرارت مورد استفاده قرار گيرد. امروزه با توجه به اهميت بالاي پديده انتقال جريان و حرارت در محيطهاي متخلخل و استفاده آنها در حوزه هاي مختلفي همچون حوزههاي نفت و گاز، كلكتورهاي خورشيدي، مبدلهاي حرارتي، ذخيره گرهاي خورشيدي و غيره، ميتوان با استفاده از نانوسيالات به بهبود انتفال جريان و حرارت دست يافت. بدين منظور در اين مطالعه يك مدل عددي توانمند براي تحليل و پيشبيني اين پديدهها در محيط متخلخل با رويكرد مقياس حفره توسعه داده شده است. به همين منظور، دو حلگر عددي حجم محدود در نرمافزار منبعباز اپنفوم 1بر اساس حل با روش اويلري-لاگرانژي و اويلري- اويلري توسعه داده شدند تا قابليت افزودن نيروهاي جديد نظير نيروهاي براوني و ترموفورتيك را داشته باشند. با توجه به اهميت نيروي براوني و وابستگي آن به دما، معادله انرژي به كد پايه در نرمافزار اپنفوم اضافه شد، نيروي براوني در بين نيروهاي موثر فيمابين نانوذرات و سيال در نظر گرفته شد و حل بر روي هندسهي محيط متخلخل براي مطالعه پديدههاي هيدروديناميكي و انتقال حرارت انجام شد. از طرف ديگر براي صحتسنجي حلگرهاي توسعه داده، اعتبارسنجي بر روي ميكروكانال انجام شده است. سپس به مطالعه و بررسي ساختار هاي متخلخل پرداخته شده است. ساختار محيط متخلخل مورد استفاده در اين پژوهش شامل 3نمونه فوم فلزي سلول باز با تخلخل و خصوصيات هندسي متفاوت ميباشد. اين نمونه فومها داراي ضريب تخلخل 0.85هستند و همچنين داراي چگالي حفرههاي)𝑃𝑃𝐼( 30،20و 40ميباشند. همچنين ابعاد اين محيطهاي متخلخل به ترتيب، 4*4*4 ،3*3*3و 6*6*6ميليمترميباشند. در واقع در اين پژوهش تلاش شده است براي نمونه فومهاي فلزي متفاوت مطالعه تاثير نانوسيالات بر پديده انتقال جريان و حرارت در مقياس حفره بررسي شود تا بتوان به خوبي تاثير ساختار هندسي متفاوت را نشان داد. در اين پژوهش از نانوذرات آلومينيا به دليل پايداري بيشتر از نظر شيميايي در سوسپانسيون نسبت به فلزات ديگر و همچنين پايداري مناسب در 𝑃𝐻 هاي مختلف استفاده شده است. در بخش اول، صحتسنجي كد با استفاده از شبيهسازي جريان نانوسيال در يك ميكروكانال مورد بررسي قرار گرفته است و اثر پارامترهاي مختلف نظير غلظت و شعاع نانوذرات، در پارامترهاي جرياني و انتقال حرارتي بررسي شده است. نتايج ارائه شده، تطابق خوبي با دادههاي آزمايشگاهي و مطالعات عددي صورت گرفته در ادبيات موضوع داشته اند. در ادامه، جريان نانوسيال در فضاي حفره با بكارگيري سه فوم فلزي با مشخصات مختلف مورد بررسي قرار گرفته است. با توجه به محدوده غلظت بين 0درصد حجمي تا 5درصد حجمي، از روش اويلري- اويلري در اين بخش از حل استفاده شده است و تأثير پارامترهاي مختلف نظير نيروهاي بين ذره وسيال، غلظت ذره، شعاع ذره، گراديان فشار و پارامترهاي هندسي نظير چگالي حفره در پارامترهاي جرياني و انتقال حرارتي در طيف وسيعي از اعداد رينولدز براي 3نمونه فوم فلزي انجام شده است.

1400/10/13

Pore-scale simulation of two-phase nanofluid flow in porous media

11/9/2022 12:00:00 AM

According to the incredible importance of Nanofluid flow and heat transfer phenomena in porous medium and many applications in engineering fields such as industry, energy storage, solar collectors, heat exchangers. In this study, a sturdy numerical model to analyze and predict these phenomena in pore-scale in porous structures has been developed in two different methods, Eulerian-Eulerian and Eulerian-Lagrangian. For this purpose, two finite volume numerical solvers were developed to solve the equations of flow and heat transfer in OpenFoam software for investigating the hydrodynamic and convection heat transfer phenomenon in the porous medium at the pore-scale with considering thermophoresis and, Brownian diffusion, which is a fundamental challenge in this area. In this study, the porous structures include three samples of high porosity open-cell metal foams with different geometric properties of porosity coefficient 0.85 and pore density 20, 30, and 40 PPI. In the first part of this study, Nanofluid flow studies in both Darcy and the non-Darcy flow regimes in a wide range of Reynolds numbers for all three metal foam samples and heat transfer phenomena have been performed to investigate the effect of the Brownian motion. The impact of the particle size on the flow studies in both Darcy and the non-Darcy regimes and heat transfer phenomena have been investigated. In the other part of this study, the effect of the particle concentration on the hydrodynamic and heat transfer phenomena is investigated. Finally, the impact of geometric parameters such as specific porosity of 0.85 and different pore densities 20, 30, and 40 at the pore-scale for three samples of metal foams is investigated using a powerful numerical solver. Geometric parameters in improving heat transfer in the system are examined.

نانوسيال , محيط متخلخل , نيروي براوني , اويلر-لاگرانژ , اويلر-اويلر

Porous medium , metal foam , Brownian motion , Nanofluid , openFoam