بررسي عددي انتقال حرارت همرفت حول استوانه گرم پوشيده‌شده از محيط متخلخل با دو پراكندگي تخلخل در كانال

Numerical Investigation of Convection around Heated Circular Cylinder Wrapped with Bi-Disperse Porous Medium in Channel

در پژوهش حاضر انتقال حرارت همرفت حول يك استوانه گرم پوشيده‌شده با محيط متخلخل حلقوي در يك كانال تخت مورد بررسي قرار گرفته است. براي بهبود انتقال حرارت از محيط متخلخل با رسانندگي حرارتي بالا استفاده شده و در عين حال براي كاهش افت فشار جريان دو پراكندگي تخلخل براي اين محيط در نظر گرفته شده است. براي ايجاد دو پراكندگي تخلخل، از پره‌هاي متخلخل با تخلخل 0/9 استفاده شده است كه به طور يكنواخت به استوانه متصل شده‌اند. در اين حالت پره‌ها درجه اول تخلخل (تخلخل ميكروسكوپي) و چيدمان پره‌ها در فضاي پيرامون استوانه درجه دوم تخلخل (تخلخل ماكروسكوپي) را تشكيل مي‌دهند. هدف از اين پژوهش بررسي و بهينه‌سازي شرايط جريان براي دست‌يابي به بيشترين دماي خروجي و نرخ انتقال حرارت به ازاي كمترين اتلافات فشاري است. اين بهينه‌سازي در بازه اعداد رينولدز 60 تا 120 اعداد دارسي 3-10 تا 5-10، تخلخل ماكروسكوپي 0/25 تا 0/75 و نسبت شعاع خارجي به داخلي پره‌هاي متخلخل 1/5 تا 2 صورت گرفته است. مدل‌سازي مساله به كمك روش عددي شبكه بولتزمن صورت گرفته و صحت شبيه‌سازي توسط مطالعات عددي و آزمايشگاهي موجود مورد ارزيابي قرار گرفته است. بهينه‌سازي نتايج به كمك روش سطح پاسخ مركب مركزي سه‌سطحي انجام شده و نتايج عددي حاكي از صحت پيش‌بيني‌ها در شرايط بهينه است. به اين ترتيب نتايج حاصل از اين تحقيق مي‌تواند راهنمايي مفيد در زمينه بهينه‌سازي مبدل‌هاي حرارتي قلمداد شود.

In this study, convective heat transfer around a heated circular cylinder covered with an annular porous medium in a flat channel was numerically investigated. To enhance the heat transfer, the porous medium is chosen to have a high thermal conductivity, whereas it is equipped with two different dispersions to reduce the pressure drop through the channel. To create two different dispersions (bi-disperse porous medium), the cylinder is covered uniformly by multiple porous fins with a porosity of 0.9. In this regard, the fin porosity will be the first levels of porosity (microscopic porosity) and the arrangement of fins will be referred to as the second levels (macroscopic porosity) of the porous medium. The main goal of this research is to investigate and optimize flow conditions to achieve the highest outlet temperature and the highest heat transfer rate, where the pressure drop is reduced to a minimum value. This optimization is carried out for flow Reynolds number of 60 to 120, the Darcy number of 10-3 to 10-5, macroscopic porosity of 0.25 to 0.75, and outer to inner fin ratios of 1.5 to 2. Numerical simulations are conducted, using the lattice Boltzmann method and the validity of simulations is assessed by the use of numerical and experimental data available in the literature. To optimize, the response surface methodology (RSM) with a central composite design is used and numerical results indicate that predictions obtained by RSM are in good agreement with actual flow condition in the optimum configuration. This research can provide new insight into the optimization process in heat exchanger designs.