مدلسازي عددي جريان و انتقال حرارت جابجايي طبيعي در محيط متخلخل به روش شبكه بولتزمن- تاثيرات نانوسيال و هندسه مرزهاي جريان

Computational Modeling of Flow and Natural Convective Heat Transfer in Porous Media, Using LBM- Effects of Nano-fluidicity and Domain Geometry

در پژوهش پيش رو، انتقال حرارت جابهجايي طبيعي نانوسيال در محيط متخلخل، با استفاده از روش شبكه بولتزمن بهصورت عددي مورد بررسي قرار گرفته است. هندسه انتخابشده براي بررسي مسيله موردنظر شامل محفظه سرد خارجي و سيلندرهاي گرم داخلي با آرايشهاي تك، سه و چهار سيلندره ميباشد. نقطه مشترك هندسهها جهت مقايسه عملكرد حرارتي آنها، مساحت انتقال حرارت برابر ميباشد. آرايش شبكه D2Q9 براي توابع توزيع چگالي و دما استفاده شده است. تاثير حضور محيط متخلخل بهصورت عبارت منبع وارد معادله بولتزمن تابع توزيع چگالي ميشود. در واقع از مدل برينكمن- فورچيمر براي شبيهسازي محيط متخلخل استفاده شده است. صحت شبيهسازي حاضر با استفاده از نتايج با تحقيقات معتبر صحتسنجي شده است. تطابق خوب نتايج، نشاندهنده دقت بالاي شبيهسازي حاضر ميباشد. تاثير اعداد رايلي، دارسي، ضريب تخلخل محيط، تعداد و آرايش سيلندرها روي عدد ناسلت ديواره سرد محفظه و عملكرد حرارتي هندسهها بررسي شدهاند. نتايج بهدستآمده بهخوبي رفتار جريان نانوسيال و توزيع دماي داخل محيط متخلخل را نشان ميدهد. برحسب نتايج، با افزايش عدد رايلي، دارسي و ضريب تخلخل انتقال حرارت جابهجايي طبيعي افزايش مييابد. همچنين، برحسب نتايج براي انتخاب هندسه مناسب از بين سه هندسه تعريفشده براي سيلندرها، جهت انتقال حرارت بهتر بايد همزمان به رايلي و ضريب تخلخل توجه كرد.. همچنين، نتايج بيانگر افزايش انتقال حرارت با افزايش كسر حجمي نانوذرات بهكار گرفته شده، ميباشد.

Natural convective heat transfer of nano-fluid in porous media is present in many advanced engineering applications. In this work, this problem has been computationally simulated, using LBM. The configuration used includes a cold exterior region and hot interior cylinders with one-, two-, or three-cylinder arrangements. However, the effective area for heat transfer has been kept the same for all three cases. A D2Q9 grid has been used. for To consider the porous media, the related source term has been considered in the equation of relation density distribution function (the Brinkman-Forchheimer model has been used). Our results have been validated using previous available valid data which shows relatively close agreements. The effect of Rayleigh and Darcy numbers, porosity, and arrangements of the cylinder(s) on the Nusselt number of the cold region wall and also the heat transfer performance of the configuration have been investigated in this work. Our results closely simulate the nano-fluid behavior inside the porous media. The results show that as the Rayleigh and Darcy numbers and porosity increase, natural convective heat transfer is enhanced. In addition, as the number of cylinders increases, such heat transfer is enhanced considerably. Finally, as expected, as the nano-particle’s void fraction increases, convective heat transfer is increased.