Skip to main content
SUPERVISOR
Mahmood Meratian isfahani,Masoud Panepour,Mohsen DavazdahEmami
محمود مراتيان اصفهاني (استاد راهنما) مسعود پنجه پور (استاد راهنما) محسن دوازده امامي (استاد مشاور)
 
STUDENT
Mohammad Zafari Rogari
محمد ظفري روگري

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مواد
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1390

TITLE

Numerical Simulation of Heat Transfer and Fluid Flow in Metal Porous Media
Nowadays, one of the biggest challenges in foams industries is designing based on the performance features. Therefore, simulation or exact solution of traort equations is the first step in designing the foams, which has numerous difficulties due to structure complexity of the foams. Hence, most of the numerical studies were performed on the ideal or unrealistic structure of the foams such as Kelvin model. Using these simple methods is due to the difficulties in creating the real structure of the foams and meshing of them. Therefore in this study, simulation of hydrodynamic and thermal behavior of fluid on metallic foams with real structure was surveyed using hexahedral computational grid. For this purpose, continuity, heat and momentum transfer equations for a fluid inside the porous media of the foam (with 85, 90, 95 and 98 porosity percent) were solved by finite volume algorithm. The results showed, the linear and non-linear term coefficients of the pressure gradient equation ( ) vary between and , respectively. Also, conductive heat transfer has a great dependency to the thermal conductivity coefficient of the solid matrix. On the other hand, the heat in forced convection was transferred in a short length of the bed and after that the thermal equilibrium between fluid and the solid was established. The curve of friction factor vs. Reynolds number diagram showed that for Re 1 the flow is laminar, While for Re 1 the fluid has a transient behavior. Meanwhile, transient Reynolds number change with porosity by performing a thermal gradient to the fluid. Also, based on the microscopic view, a new correlation for Nusselt number (Nu), using the geometric specification of the foams was developed. In the microscopic view, the limitation of previous models such as lack of attention to the geometry of the foam was eliminated. On the other hand, the injection of a particle in porous media and observation of its path was the basis of tortuosity ( ) survey. According to the results, the was decreased by increasing the porosity in the foam. Also, the is a mean value for traveled path by fluid related to the length of foam (according to the direction of fluid flow) and has different values in various directions, which is due to the heterogeneous distribution of the pores in the foam. Therefore, this study can be brought up as a new field and method for designing the foams for different application. Keywords: Foam, Simulation, Hexahedral, Pressure gradient, Nusselt number, Tortuosity
چکيده در حال حاضر يکي از مهم ترين چالش ها در رابطه با ساخت فوم ها، طراحي بر اساس ويژگي هاي کاربردي آن ها مي باشد. بنابراين اولين قدم در زمينه طراحي آن ها، مي تواند مشتمل بر انجام فرايند شبيه سازي و يا به عبارتي حل دقيق معادلات انتقال باشد که در واقع به دليل پيچيدگي ساختار هندسي فوم ها، با دشواري هاي فراواني همراه مي باشد. از اينرو اغلب بررسي هاي عددي روي هندسه هاي ايده ال و غير واقعي فوم، از جمله مدل کلوين صورت گرفته است. دلايل اين امر را مي توان در مشکل بودن ساخت هندسه واقعي فوم و نحوه مش زدن آن اشاره کرد. لذا در تحقيق حاضر شبيه سازي رفتار هيدروديناميکي و حرارتي سيال در فوم هاي فلزي با هندسه واقعي و با استفاده از شبکه محاسباتي هگزاهدرال صورت پذيرفته است. بدين منظور معادلات پيوستگي، انتقال مومنتم و حرارت براي سيال داخل محيط متخلخل فوم (با درصد تخلخل هاي 85، 90، 95 و 98) به وسيله الگوريتم حجم محدود، حل گرديده است. نتايج بدست آمده نشان مي دهد که ضرايب ترم خطي و غير خطي معادله افت فشار ( ) به ترتيب در محدوده و قرار دارد. همچنين گرماي انتقال يافته به روش هدايت، وابستگي شديدي به ضريب هدايت حرارتي فاز جامد نشان داد. اما ميزان حرارت انتقال يافته در جابجايي اجباري، در طول کمي از بستر انجام مي شود و بعد از آن تعادل دمايي بين جامد و سيال بر قرار مي شود. اما از طرفي نمودار فاکتور اصطکاک بر حسب عدد رينولدز نشان داد که در دامنه ي Re 1 جريان آرام و در دامنهRe 1 جريان وارد ناحيه گذرا مي شود. در ضمن بايستي به اين نکته اشاره نمود که با اعمال گراديان حرارتي، عدد رينولدز گذرا متناسب با ميزان تخلخل تغيير مي کند. همچنين در کار حاضر رابطه ي جديدي براي عدد ناسلت براساس مشخصات هندسي فوم توسعه داده شده که براي ارائه آن از ديدگاه ميکروسکوپي استفاده شده است. با استفاده از اين ديدگاه، محدوديت هاي مدل هاي پيشين از جمله عدم توجه به ساختار هندسي فوم، رفع شده است. از طرفي براي به دست آوردن پيچيدگي مسير عبور جريان سيال، از روش تزريق ذره در داخل محيط متخلخل و رصد مسير عبور ذره، استفاده شده است. مطابق با نتايج حاصل، فاکتور پيچيدگي با افزايش درصد تخلخل کاهش مي يابد. همچنين اين فاکتور ميانگيني از طول مسير پيموده شده به وسيله جريان مي باشد و مقدار آن در جهات گوناگون به دليل غير يکنواختي توزيع تخلخل ها، متفاوت مي باشد. در نهايت با اتکا به نتايج حاصل از اين پژوهش، مي توان بستري هر چند کوچک را در راستاي توسعه ي طراحي فوم ها با کاربرد هاي مختلف، فراهم نمود. کلمات کليدي فوم، شبيه سازي، هگزاهدرال، افت فشار، عدد ناسلت، پيچيدگي مسير

ارتقاء امنیت وب با وف بومی