Skip to main content
SUPERVISOR
Ebrahim Shirani,Mahmud Ashrafizadeh
ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور) محمود اشرفی زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mehdi Shamshiri
مهدی شمشیری

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1387

TITLE

Microscale Simulation of Fluid Flow and Heat Transfer Using Lattice Boltzmann Method in the Transition Regime and a New Analytical Solution for the Slip Flow Regime
The main objective of the present thesis is to numerically and analytically investigate the flow and heat transfer phenomena in microscales. Hence, the content of this study is divided into the following two major sections. In the first section, which is related to the numerical study, the lattice Boltzmann method (LBM) is employed to simulate flow and heat transfer processes in microscales. Since common standard LB models are unable to capture the main features of the so-called Knudsen layer, in this study, a correction wall function technique has been employed to enhance the capability of the already mentioned mesoscopic approach in dealing with this kinetic boundary layer. It is shown that such an implementation leads to remarkable improvements in simulating momentum and energy traort phenomena in microscale rarefied gaseous flows, especially in the transition flow regime, without imposing considerable extra computational costs to the solution procedure. In the second section, which is related to the analytical study, an original attempt has been made to present first and second-law analysis of a rarefied gaseous flow confined between two concentrically rotating cylinders throughout the entire slip flow regime. The incompressible Navier-Stokes-Fourier (NSF) equations including viscous dissipation effects in the cylindrical polar coordinate reference frame are analytically solved subject to the so-called slip/jump boundary conditions to obtain the associated velocity and temperature distributions. The solutions are used to carry out a parametric study of rarefaction, dissipation and rotation mode on the corresponding entropy generation characteristics. Imposing two different thermal boundary conditions, namely, UHF and CWT B.Cs, three distinct thermal cases are constructed and then treated separately. The interactive effects of parameters such as the Knudsen number, the Brinkman number, rotation mode and the aspect ratio of the annuli on the velocity and temperature distributions, Nusselt number and heat fluxes at the walls have been studied. Keywords: Microscale flow and heat transfer, Lattice Boltzmann method, Transition flow regime, Analytical solution, First and second laws of thermodynamics, Slip flow regime
هدف این پژوهش، شبیه سازی عددی و تحلیلی پدیده های جریان و انتقال حرارت در مقیاس میکرو می باشد. بدین منظور، محتوای این پژوهش به دو بخش کلّی تقسیم بندی شده است. در بخش اول که مربوط به فرآیند شبیه سازی عددی است، از روش شبکه ی بولتزمن استاندارد، به عنوان حل کننده ی عددی معادله ی بولتزمن، برای مدل سازی جریان و انتقال حرارت سیّال در مقیاس میکرو و در رژیم های مختلف، شامل رژیم های جریانی پیوسته، لغزشی و گذار استفاده شده است. از آن جا که مدل های رایج روش شبکه ی بولتزمن استاندارد توانایی شبیه سازی درست کمّیّت های جریان درون لایه ی نودسن را ندارند، در پژوهش کنونی از ترفند تابع دیواره برای بهبود کارایی روش شبکه ی بولتزمن در رویارویی با این لایه ی مرزی سینتیک بهره گرفته شده است. شبیه سازی های صورت پذیرفته بیانگر این مطلب است که با بکارگیری ترفند یاد شده در روش شبکه ی بولتزمن، کارایی این روش در شبیه سازی پدیده های انتقال در ابتدای رژیم جریانی گذار به طور چشمگیری افزایش می یابد؛ بدون اینکه هزینه ی محاسباتی اضافی قابل توجّهی به فرآیند حل وارد آید. در بخش دوم که شامل بیان فرآیند حل تحلیلی صورت گرفته و نتیجه های بدست آمده می باشد، پدیده های جریان، انتقال حرارت و تولید انتروپی برای جریان رقیق گاز حبس شده بین دو سیلندر هم محور چرخان، یعنی جریان کوئت استوانه ای، در محدوده ی رژیم لغزشی، بررسی شده است. در این راستا، معادله های تراکم ناپذیر ناویر- استوکس- فوریه در دستگاه مختصات استوانه ای با در نظر گرفتن اثرهای لغزش سرعت و پرش دما و جمله ی تلفات لزجی، به صورت تحلیلی حل گردیده است. با استفاده از دو نوع مختلف شرط گرمایی، یعنی شرط های دمای ثابت سطح و شار حرارتی یکنواخت روی دیواره، سه نوع مساله ی گرمایی طرح شده و پس از آن به طور جداگانه مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه، اثر پارامترهایی همچون عدد نودسن، عدد برینکمن، پارامتر خمیدگی و همچنین سبک چرخش بر مشخّصه های جریان، انتقال حرارت و تولید انتروپی، شامل متغیّرهای سرعت، دما، عدد نوسلت، شار حرارتی روی دیواره ها، تولید انتروپی ناشی از اصطکاک سیّال و انتقال حرارت، نرخ متوسّط تولید انتروپی و عدد بی بعد بجان، به دقّت مورد کنکاش قرار گرفته و دستاوردهای مربوطه ارائه گردیده است. گفتنی است که حل تحلیلی ارائه شده، معیار مقایسه ی بسیار مناسبی را برای ارزیابی میزان درستی دستاوردهای حاصل از روش های عددی مختلف، در تمامی ناحیه ی رژیم لغزشی، فراهم می آورد. واژگان کلیدی: 1- جریان و انتقال حرارت در مقیاس میکرو 2- روش شبکه ی بولتزمن 3- رژیم گذار 4- حل تحلیلی 5- قانون های اول و دوم ترمودینامیک 4-رژیم لغزشی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی