28334

شبيه‌سازي جريان غير دارسي و انتقال حرارت جابه‌جايي و هدايت در محيط متخلخل با رويكرد مقياس حفره

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1399

1401/11/5

مجيد سياوشي

دانشكده مهندسي مكانيك

شبيه‌سازي جريان و انتقال حرارت در محيط متخلخل براي كاربرد‌هاي مهندسي بسيار مفيد است. فوم‌هاي متخلخل به صورت سلول‌باز و سلول‌بسته موجود هستند. در اين مطالعه به بررسي و شبيه‌سازي جريان غيردارسي و انتقال حرارت جابه‌جايي اجباري و هدايت حرارتي در فوم‌هاي متخلخل سلول‌باز با رويكرد مقياس حفره پرداخته شده است. به منظور دستيابي و درك بهتر پديده‌هاي مختلفي كه در داخل فوم‌هاي متخلخل سلول‌باز صورت مي‌گيرد، از روش شبيه‌سازي مستقيم مربوط به مدل مقياس حفره استفاده شده است. در اين روش ساده‌سازي براي حفره‌هاي فوم متخلخل انجام نمي‌گيرد و حل معادلات، بدون در نظر گرفتن جملاتي است كه در شبيه‌سازي مقياس بزرگ به معادلات اضافه مي‌شوند. اكثر مطالعاتي كه در اين حوزه صورت گرفته است براي فوم‌هايي با تخلخل بالاتر بوده و در اكثر بررسي‌هاي حرارتي، مطالعات كمتري به اثرات همزمان انتقال حرارت جابه‌جايي اجباري و انتقال حرارت رسانش پرداخته‌اند. همچنين فوم‌هاي سلول‌باز از جنس سراميكي كمتر مورد توجه بوده‌اند. در مطالعه حاضر، از سه نمونه فوم سلول‌باز با ميزان تخلخل‌هاي 36/54، 80/61 و 04/69 درصد و با چگالي حفره ثابت PPI 20 استفاده شده است. هندسه‌هاي توليدي از نوع ساختار تصادفي و مشابه با هندسه‌هاي حاصل از عكس برداري فوم‌هاي سلول‌باز حقيقي است. براي انجام شبيه‌سازي از نرم‌افزار متن باز و رايگان OpaenFOAM استفاده شده است. اين نرم‌افزار با زبان برنامه نويسي C++ توسعه داد شده و از روش حجم محدود براي حل مسائل مختلف استفاده مي‌كند. در مطالعه حاضر به بررسي رژيم جريان دارسي و غير دارسي، تأثير پارامتر‌هاي هندسي فوم سلول‌باز و تأثير همزمان انتقال حرارت جابه‌جايي و هدايت با در نظر گرفتن سه جنس مس، آلومينيوم و سيليكون كاربيد پرداخته شده است. نتايج نشان مي‌دهند كه با افزايش ميزان تخلخل در چگالي حفره ثابت فوم سلول‌باز، مقدار افت فشار و ضريب انتقال حرارت جابه‌جايي اجباري كاهش پيدا مي‌كنند و توزيع دمايي فوم سلول‌باز براي سرعت‌هاي بالا همگون‌تر است و در صورت بالا بودن نسبت ضريب رسانش جامد به نسبت ضريب رسانش سيال، انتقال حرارت جابه‌جايي اجباري بهتر صورت مي‌گيرد و توزيع دمايي نيز همگون‌تر مي‌باشد.

1402/03/09

Simulation of non-Darcy flow and convection-conduction heat transfer in porous medium with pore-scale approach

1/25/2024 12:00:00 AM

Simulation of flow and heat transfer in porous media is very useful for engineering applications. Porous foams are available as open-cell and closed-cell. In this study, the investigation and simulation of non-Darcy flow, forced convection heat transfer and thermal conductivity in open-cell porous foams with a pore-scale approach have been investigated. In order to achieve and better understand the various phenomena that take place inside open-cell porous foams, the direct simulation method related to pore-scale simulation has been used. In this method, the simplification is not done for the porous foam pores, and the equations are solved without considering the terms that are added to the equations in the large-scale simulation. Most of the studies in this field have been for foams with higher porosity, and in most of the heat transfer investigations, fewer studies have investigated the convection-conduction heat transfer. Also, ceramic foams have received less attention. In the present study, three samples of open-cell foam with various porosities of 54.36%, 61.80% and 69.04% and with a constant pore density of 20 PPI have been used. The generated geometries with random structure and similar to the geometries obtained from real open-cell foams. The open source library of OpaenFOAM was used for the simulation. This software is developed with C++ programming language and uses finite volume method. In the present study, Darcy and non-Darcy flow regimes, the effect of geometric parameters related to open-cell foam and convection-conduction heat transfer by considering ceramic and metal foams have been investigated. The results show that by increasing porosity of the samples in the constant PPI, the pressure drop and the convection heat transfer coefficient decrease and the temperature distribution of the open-cell foam is more homogeneous for high speeds and if the thermal conductivity of the foam is high, forced convection heat transfer is better and the temperature distribution is more homogeneous.

مدل مقياس حفره , انتقال حرارت جابه‌جايي اجباري , انتقال حرارت هدايتي , فوم سلول‌باز با ساختار تصادفي

pore scale , Forced convection heat transfer , Conduction heat transfer , Open-cell foam, Voronoi

Mehdi Soltani

Dr. Majid Siyavashi