روش مرز غوطه‌ور شبكه بولتزمن حرارتي با الگوريتم ميانياب شارپ: انتقال حرارت سيال غيرنيوتني از سيلندر

Immersed Boundary–Thermal Lattice Boltzmann Method with Sharp Interface: Heat Transfer of Non-Newtonian Fluid over a Cylinder

در مطالعه حاضر، مساله انتقال حرارت در سيال غيرنيوتني گذرنده از روي يك سيلندر دايروي با استفاده از روش تركيبي مرز غوطه ور- شبكه بولتزمن حرارتي و طرح اعمال نيروي مستقيم مورد بررسي قرارگرفته است. الگوريتم ميانيابي شارپ به منظور تبادل مقادير دما و سرعت بين گره هاي واقع در دامنه سيال و نقاط روي مرز مانع استفاده شده است. به منظور در نظر گرفتن همزمان اثرات گسستگي شبكه و عبارت نيرويي (يا حرارتي) ناشي از وجود مرز داغ، روش اعمال نيروي چندگانه براي سيالات غيرنيوتني تواني توسعه داده شده است. يك روش ساده براي محاسبه عدد ناسلت بر مبناي پارامترهاي محاسبه شده در روش مرز غوطه‌ور شارپ استخراج گرديده است. انتقال حرارت در رژيم هاي مختلف جريان شامل جريان هاي پايا و ناپايا در محدوده وسيعي از اعداد رينولدز (80 > Re > 20) و شاخص هاي مدل سيال غيرنيوتني تواني (4/1 > n > 6/0) بررسي شده است. مشخص گرديد كه با افزايش خواص رقيق برشي و ضخيم برشي در سيالات به ترتيب افزايش و كاهش نرخ انتقال حرارت از مرز غوطه ور را شاهد خواهيم بود. الگوريتم اعتبار سنجي شده حاضر در آينده مي تواند به عنوان ابزاري مناسب به منظور بررسي حركت اجسام متحرك در سيالات غير نيوتني مورد توجه قرار گيرد.

In the current study, the problem of heat transfer in non-Newtonian fluid flow over a cylinder has been simulated using the Immersed Boundary – thermal lattice Boltzmann method and direct forcing algorithm. The sharp interface scheme is used to transfer the values of velocity and temperature between the fluid Eulerian and boundary Lagrangian nodes. In order to consider the effects of both discrete grid and boundary forces (thermal forces), the split-forcing lattice Boltzmann method is developed for non-Newtonian power-law fluids. A simple technique for calculating the Nusselt number based on the sharp immersed boundary method is extracted. Heat transfer of different fluid regimes consist of steady and unsteady flow in wide ranges of Reynolds numbers (20 < Re < 80) and power-law indices (0.6 < n < 1.4) has been investigated. It is found that the increment of the shear-thinning and shear-thickening behavior of the fluid leads to an increase and decrease of heat transfer rate of immersed body, respectively. In future studies, the proposed algorithm will be used as a suitable method for thermal modeling of moving bodies in non-Newtonian fluids.