SUPERVISOR
Mohsen DavazdahEmami
محسن دوازده امامی (استاد راهنما)
STUDENT
Mahtab Shahrzadi
مهتاب شهرزادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Numerical Simulation of Conduction, Convection and Radiation Heat Transfer in Open Cell Lattice Structured Porous Media
Researchers have always been interested in identifying new materials with suitable properties and using them to improve performance in various applications. One of these new materials are open cell metal foams. Nowadays, due to the advancement of 3D printing technology and the possibility of making materials with desired structures, metal foams with regular structure have received much attention. Computational fluid dynamics is a method with high accuracy and relatively low cost to study the behavior of these materials under different conditions. In the present research, fluid flow and conduction, convection and radiation heat transfer have been studied for three-dimensional periodic cells with lattice structure for a wide range of porosity (0.7-0.99) and Reynolds numbers (1-150) by using the Fluent software. In this study, a steady, incompressible flow of air with constant thermophysical properties inside an aluminum cell is simulated numerically. First, the hydrodynamic behavior of the flow in the cell without thermal gradient was investigated. It was observed that by decreasing the porosity, parameters like specific surface area, conductive thermal conductivity, pressure drop, inertia coefficients, Darcy and non-Darcy coefficients and friction factor are increased, but the equivalent pore diameter and permeability are reduced. Then in absence of radiation, conduction and convection heat transfer was investigated under two different boundary conditio constant temperature at solid surfaces and constant heat release inside the solid. The results show that by decreasing porosity at the same Reynolds number, temperature in the whole cell increases for the case of constant temperature boundary condition due to the increase of solid surfaces with high temperature, but for the case of constant heat transfer boundary condition, temperature decreases due to the reduction of heat flux on solid surfaces. In both cases, at a constant porosity, the temperature in the cell decreases with increasing Reynolds number, because of increasing the inlet flow velocity and its ability to cool the cell. Moreover, by reducing the porosity at a constant Reynolds number, the velocity in the cell increases due to the reduction of the flow cross section in the cell. By increasing the porosity to more than 0.95, heat transfer coefficient increases but it doesn’t change much for less porosities. But the Nusselt number always increases with the porosity due to the dependence on both heat transfer coefficient and permeability. Further in this research, radiation was added to the problem at hand, and it was observed that radiative-equivalent thermal conductivity increases with increasing porosity, which is greater at higher average cell temperatures. The radiative-equivalent thermal conductivity increases slightly with increasing solid radiative emission coefficient and the applied temperature difference, but increases linearly with increasing the cell size. It was also observed that at low porosities, the conduction heat transfer, and at higher porosities, the radiative heat transfer play major roles in the effective thermal conductivity. At the average cell temperature of 1800K, the ratio of radiative-equivalent thermal conductivity to the effective thermal conductivity, is calculated 95% for the porosity of 0.99, and 12% for the porosity of 0.7. After examining all three modes of heat transfer at the constant heat rate boundary condition, it was observed that with decreasing Reynolds number, temperature of solid surfaces increases so the ratio of radiation heat transfer to the total heat transfer increases exponentially (for the porosity of 0.99, this ratio increases 6 times as the Reynolds number decreases from 150 to 1.5625), and the temperature in the whole cell reduces accordingly. Keywords: Heat transfer, Open cell metal foam, Lattice materials, CFD
شناسایی مواد جدید با خواص مناسب و استفاده از آن ها برای بهبود عملکرد در مسائل مختلف همواره مورد توجه محققان بوده است. یکی از این مواد جدید، فوم های فلزی سلول باز هستند. امروزه با توجه به پیشرفت تکنولوژی پرینت سه بعدی و امکان ساخت مواد با ساختار دلخواه، فوم های فلزی با ساختار منظم بسیار مورد توجه قرارگرفته اند. دینامیک سیالات محاسباتی روشی با دقت زیاد و هزینه نسبتا کم، برای بررسی رفتار این مواد تحت شرایط مختلف است. در این پژوهش جریان سیال و انتقال حرارت هدایتی، جابه جایی و تشعشع برای سلول های پریودیک سه hy;بعدی با ساختار منظم برای بازه وسیعی از میزان تخلخل (7/0 – 99/0) و اعداد رینولدز (1 - 150) توسط نرم افزار فلوئنت بررسی شده است. در این بررسی ها هوا با دمای پایین تحت شرایط جریان پایا، تراکم ناپذیر و خواص ثابت وارد سلول از جنس آلومینیوم شده و آن را خنک می کند. در ابتدا رفتار هیدوردینامیکی جریان در سلول بدون اعمال گرادیان حرارتی بررسی شده و مشاهده شد که با کاهش میزان تخلخل پارامترهای سطح ویژه، ضریب هدایت حرارتی موثر ناشی از هدایت، افت فشار، ضرایب اینرسی، دارسی و غیردارسی و ضریب اصطکاک افزایش می یابند، اما قطر حفره معادل و نفوذپذیری کاهش می یابند. در ادامه یک بار با صرف نظر از تشعشع حرارتی، انتقال حرارت هدایتی و جابه جایی تحت دو شرط مرزی دمای ثابت در سطوح جامد و انتقال مقدار گرمای ثابت توسط جامد بررسی شد. در یک عدد رینولدز یکسان، در شرط مرزی دمای ثابت، با کاهش میزان تخلخل به دلیل افزایش سطح جامد با دمای بالا، دما در کل سلول افزایش می یابد اما در شرط مرزی انتقال مقدار گرمای ثابت توسط جامد، با کاهش میزان تخلخل به دلیل کاهش شار حرارتی بر روی سطوح جامد، دما در کل سلول کاهش می یابد. در هر دو شرط مرزی، در یک میزان تخلخل ثابت با افزایش عدد رینولدز و در نتیجه افزایش سرعت جریان ورودی و توانایی آن در خنک کردن، دما در سلول کاهش می یابد. همچنین با کاهش میزان تخلخل در یک عدد رینولدز ثابت، به دلیل کاهش سطح مقطع جریان در سلول، سرعت در سلول افزایش می یابد. ضریب انتقال حرارت جابه جایی با افزایش میزان تخلخل به بیش از 95/0، افزایش می یابد اما برای میزان تخلخل های کمتر دارای تغییرات چندانی نیست، اما عدد ناسلت به دلیل وابستگی به ضریب انتقال حرارت و نفوذپذیری، با افزایش میزان تخلخل همواره افزایش می یابد. در ادامه تشعشع نیز به بررسی ها اضافه شده و با افزایش میزان تخلخل، ضریب هدایت حرارتی موثر ناشی از تشعشع افزایش می یابد که این افزایش در دماهای میانگین بالاتر به میزان بیشتری است. ضریب هدایت حرارتی موثر ناشی از تشعشع با افزایش ضریب صدور جامد و اختلاف دمای اعمالی به سلول به مقدار ناچیزی افزایش می یابد، اما با افزایش اندازه سلول به صورت خطی افزایش می یابد. همچنین مشاهده شد که در میزان تخلخل های پایین تر، انتقال حرارت هدایتی و در میزان تخلخل های بالاتر انتقال حرارت تشعشعی نقش عمده را در مقدار ضریب هدایت حرارتی موثر کلی ایفا می کند. به گونه ای که در دمای میانگین سلول K1800، سهم ضریب هدایت حرارتی موثر ناشی از تشعشع از ضریب هدایت حرارتی موثر کلی، برای میزان تخلخل 99/0 برابر 95% و برای میزان تخلخل 7/0 برابر با 12% است. پس از بررسی هر سه مود انتقال حرارت در شرط مرزی انتقال مقدار ثابت گرما، مشاهده شد با کاهش عدد رینولدز به دلیل افزایش دمای سطح جامد، سهم تشعشع از کل انتقال حرارت به صورت نمایی افزایش می یابد (برای نمونه با میزان تخلخل 99/0، با کاهش عدد رینولدز از 150 به 5625/1، سهم تشعشع از کل انتقال حرارت 6 برابر افزایش می یابد) و دما در کل سلول نیز به میزان بیشتری کاهش می یابد. کلمات کلیدی: انتقال حرارت، فوم فلزی سلول باز، سلول سازمان یافته، دینامیک سیالات محاسباتی