Skip to main content
SUPERVISOR
Mohamadreza Salimpour,Mohamad Reza Tavakoli nejad
محمدرضا سلیم پور (استاد راهنما) محمدرضا توکلی نژاد (استاد مشاور)
 
STUDENT
Hamid Maleki
حمید ملکی

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1392
One of the major issues facing by humans during the last years has been the topic of energy. Among the different types of energy used nowadays, more than 70 percent is exchanged in the form of heat. On the other hand, increase in thermal performance and heat transfer enhancement in heat exchange equipment is one of the areas of interest to researchers. There are many ways to enhance heat transfer in heat exchangers. One of these methods is the use of porous media. Porous media used in heat exchangers is made of metal foam with high thermal conductivity and has a large contact area with the passing fluid. Hence by putting "suitable amount" of porous materials with "favorable configuration" at "optimal position" in the presence of reasonable pressure drop, can force the fluid to pass near the adjacent wall and thereby the boundary layer thickness decreases and increases heat transfer. In the present study, using constructal theory, a fixed volume of porous material in the tube was placed in such a way that the heat transfer was improved in the presence of the reasonable pressure drop. Laminar forced convection flow through a tube partially filled with a porous material was considered. The tube wall was subjected to constant heat flux. The results were reported for different parameters include porous layers number, ratio of effective thermal conductivity of porous region to clear fluid, position of layers, layers volume ratio and permeability. The Darcy–Brinkman–Forcheimer model was used for the ?ow traort in the porous medium. One-equation model was employed for energy traort, which assumed a local thermal equilibrium between the fluid and the solid phases. The analysis was done for the Darcy number from Da=10 -6 to Da=10 -1 and ratio of effective thermal conductivity of porous region to clear fluid, tkr=k e /k f =1, 10. Also, the fixed porosity, ratio between tube length to tube radial (L/r 0 ), Reynolds number and Prandtl number equal to 0.95, 20, 100 and 0.74 were considered, respectively. The results showed that for cases one-layer and two-layer with tkr=1 and Da=10 -1 and 10 -2 , the amount of Performance Evaluation Criteria (PEC) was observed less or about 1. Therefore, the use of porous media with this situation does not justify. For Da=10 -3 and tkr=1, the highest PEC was observed in reference case (Porous material at the core of the tube), However, the highest heat transfer enhancement was observed for case two-layer, and the heat transfer is increased by 10% in comparison with reference case. For Da=10 -4 -10 -6 and tkr=1, the highest PEC was observed in case two-layer with PEC value about 1.22. Also the highest heat transfer enhancement was obtained for case two-layer, and the heat transfer was increased by 29%, 34% and 35% in comparison with reference case, respectively. In the all cases, volume ratio of porous layer fixed at the core tube was high and second porous layer close to the fixed layer. for Da=10 -1 and tkr=10, the highest PEC was observed in case one-layer when porous layer attached to the wall, However, the highest heat transfer enhancement was obtained for case two-layer, and the heat transfer was increased by 20% in comparison with reference case. For Da=10 -2 and 10 -3 with tkr=10, the highest PEC was observed in case two-layer when second porous layer attached to the wall, and the highest heat transfer enhancement was obtained for case two-layer, and the heat transfer was increased by 14% and 12% in comparison with reference case, respectively. For Da=10 -4 -10 -6 and tkr=10, the highest PEC and heat transfer enhancement were obtained similar to the tkr=1. This is due to the fact that heat conduction in the porous matrix plays a more signi?cant role with increasing permeability and decreasing the gap between porous medium and wall. Keywords: Heat transfer enhancement, Numerical simulation, Porous media, Flow inside tube, Performance evaluation criteria
: یکی از مهم‌ترین موضوع‌هایی که بشر در سال‌های اخیر با آن مواجه بوده، مبحث انرژی است. در میان انواع مختلف انرژی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرد، بیش از 70 درصد آن به صورت حرارت تبادل می‌شود. از طرفی افزایش بازدهی حرارتی و بهبود انتقال حرارت در تجهیزات حرارتی یکی از زمینه‌های مورد علاقه محققان است. روش‌های زیادی برای بهبود انتقال حرارت در مبدل‌های حرارتی وجود دارد. یکی از این روش‌ها استفاده از محیط متخلخل است. محیط‌های متخلخل مورد استفاده در مبدل‌های حرارتی از جنس فلز با هدایت حرارتی بالا بوده و دارای سطح تماس زیادی با سیال عبوری می‌باشند. بنابراین با قرار دادن "مقداری مناسب" از ماده متخلخل با "پیکربندی مطلوب" در "موقعیت بهینه" می‌توان علاوه بر ایجاد افت فشار منطقی، سیال را وادار به عبور از مجاورت دیواره لوله نمود که نتیجه آن کاهش لایه مرزی و افزایش بازدهی حرارتی می‌باشد. در پژوهش حاضر، با استفاده از تئوری ساختاری و بهینه‌سازی چیدمان، حجم ثابتی از ماده متخلخل به گونه‌ای در لوله قرار داده شد که انتقال حرارت در حضور مقدار منطقی افت فشار، بهبود یابد. حجم ماده متخلخل برای همه‌ی حالت‌ها ثابت، و برابر 40 درصد حجم داخلی لوله در نظر گرفته شد. بدین منظور از نرم افزار فلوئنت برای شبیه‌سازی جریان آرام و انتقال حرارت جابجایی در لوله حاوی ماده متخلخل استفاده شد. معادله انرژی با فرض تعادل حرارتی موضعی بین فاز سیال و جامد مورد بررسی قرار گرفت. اثر پنج پارامتر مختلف شامل سه پارامتر هندسی تعداد لایه‌های ماده متخلخل، نسبت حجمی بین لایه‌ها و فاصله لایه‌های متخلخل از مرکز لوله به همراه دو متغیر نفوذپذیری محیط متخلخل و نسبت هدایت حرارتی موثر محیط متخلخل به سیال مورد ارزیابی قرار گرفت. همچنین از اعداد بی‌بعد نوسلت، ضریب افت فشار و معیار ارزیابی عملکرد به ترتیب برای ارزیابی میزان انتقال حرارت، میزان افت فشار و میزان بازیابی انرژی در مقایسه با هدررفت انرژی استفاده شد. نتایج مدل‌سازی نشان داد در نفوذپذیری بالا ( Da =10 -1 ,10 -2 ) زمانی‌که هدایت حرارتی محیط متخلخل کم است، معیار ارزیابی عملکرد در تمامی حالت‌ها کمتر یا برابر با واحد بوده و استفاده از محیط متخلخل قابل توجیه نخواهد بود. این در حالی است که با افزایش هدایت حرارتی محیط متخلخل در حالت‌هایی که حجم زیادی از ماده متخلخل به دیواره لوله نزدیک است، معیار ارزیابی عملکرد به شدت افزایش یافته و انتقال حرارت نسبت به بررسی‌های گذشته (ماده متخلخل تک لایه در مرکز لوله) افزایش یافت. در حالت دو لایه، به ازای Da =10 -1 عدد نوسلت 5/20 درصد و به ازای Da =10 -2 عدد نوسلت 8/13 درصد افزایش یافت. با کاهش نفوذپذیری بیشترین مقدار معیار ارزیابی عملکرد در حالت‌هایی مشاهده شد که بیشترین مقدار ماده متخلخل، به صورت ثابت در مرکز لوله قرار گرفته بود. از طرفی نتایج نشان داد با کاهش نفوذپذیری سیال در محیط متخلخل تاثیر افزایش هدایت حرارتی نیز کاهش می‌یابد. به ازای نفوذپذیری‌های Da =10 -3 -10 -6 و هدایت حرارتی بالای ماده متخلخل افزایش عدد نوسلت به ترتیب 5/12، 9/29، 2/35 و 2/36 درصد مشاهده شد. همچنین بررسی معیار ارزیابی عملکرد و عدد نوسلت در حالت سه لایه نشان داد با سه لایه کردن محیط متخلخل، میزان انتقال حرارت به ویژه در نفوذپذیری‌های کم نسبت به حالت‌های تک لایه و دو لایه به شدت کاهش می‌یابد. کلمات کلیدی: افزایش انتقال حرارت، شبیه‌سازی عددی، محیط متخلخل، جریان آرام در لوله، معیار ارزیابی عملکرد

ارتقاء امنیت وب با وف بومی