شبيه سازي جريان و انتقال حرارت با رويكرد مقياس حفره در فوم فلزي متخلخل سلول باز با در نظر گرفتن جابه جايي و هدايت حرارتي

كارشناسي ارشد

در اين تحقيق به شبيه‌سازي جريان و انتقال حرارت با رويكرد مقياس حفره در فوم فلزي متخلخل سلول باز با در نظر گرفتن جابه‌جايي اجباري و هدايت حرارتي پرداخته ‌شده است. فوم هاي فلزي به دو شكل سلول بسته و سلول باز موجود هستند. شبيه‌سازي مقياس حفره شامل شبيه‌سازي به روش شبكه حفره‌ها و شبيه‌سازي مستقيم است. مفهوم شبيه سازي مستقيم در اين بحث متفاوت با مفهوم آن در شبيه‌سازي جريان آشفته است. منظور از شبيه سازي مستقيم، حل معادلات بدون در نظر گرفتن جملاتي كه در شبيه سازي مقياس بزرگ به معادلات افزوده مي‌شود و همچنين شبيه سازي هندسه فوم فلزي بدون ساده‌سازي در حفره‌ها است. منظور از شبيه‌سازي مقياس حفره در اين مطالعه، شبيه‌سازي مستقيم است كه دقيق‌ترين حالت شبيه‌سازي يك محيط متخلخل بوده و كمك مي كند تا به فهم بهتري نسبت به پديده هاي مختلفي كه درون محيط متخلخل اتفاق مي‌افتد، دست‌يابيم. براي انجام شبيه‌سازي، سه نمونه فوم فلزي با چگالي حفره PPI20 و ميزان تخلخل‌هاي 6/76، 38/84 و 8/93 درصد مورد ارزيابي قرارگرفته است. در اين پژوهش از نرم‌افزار OpenFOAM كه نرم‌افزاري رايگان و منبع باز است، براي انجام شبيه‌سازي‌ها استفاده ‌شده است. اين نرم‌افزار با زبان برنامه‌نويسي C++ توسعه يافته است و از روش حجم محدود براي حل مسائل بهره مي برد. در مطالعات انجام‌شده در حوزه فوم فلزي سلول باز، از روش‌هاي عكس‌برداري و ساختارهاي ايده‌آل كه به‌صورت عددي توليد مي‌شوند، براي مدل‌سازي استفاده ‌شده است. همچنين در اكثر مطالعات صورت گرفته بر روي انتقال حرارت، مكانيسم جابه‌جايي اجباري و در بعضي ديگر تركيب مكانيسم جابه‌جايي اجباري و تشعشع ارزيابي ‌شده است و توجه اندكي به اثرات همزمان رسانش و جابه‌جايي اجباري شده است. پژوهش حاضر به بررسي رژيم‌‌هاي جريان دارسي و غير دارسي، اثرات پارامترهاي هندسي مربوط به فوم فلزي، اثرات همزمان دو مكانيسم انتقال حرارت هدايتي و جابه‌جايي اجباري و جنس فوم فلزي خواهد پرداخت. براي انجام شبيه‌سازي از هندسه‌هاي توليدي با ساختاري تصادفي، غير ايده‌‌آل و مشابه با هندسه‌هاي حاصل از عكس‌برداري فوم فلزي حقيقي و حلگر توسعه داده ‌شده در نرم‌افزار OpenFOAM استفاده ‌شده است. يافته‌هاي تحقيق حاضر نشان داده‌اند كه در چگالي حفره ثابت، ارتباط معناداري ميان ضريب انتقال حرارت جابه‌جايي، توزيع دمايي در فوم فلزي و افت فشار با ميزان تخلخل وجود دارد. مطالعه حاضر نشان مي‌دهد كه افزايش ميزان تخلخل در چگالي حفره ثابت فوم فلزي، افت فشار، ضريب انتقال حرارت جابه جايي اجباري و ضريب انتقال حرارت اجباري جابه جايي حجمي كاهش پيدا مي كنند. ضريب انتقال حرارت جابه‌جايي اجباري حجمي، كميتي ماكروسكوپيك است كه در شبيه ساز‌ي هاي مقياس بزرگ مورد استفاده قرار مي‌گيرد. همچنين مقادير نفوذپذيري و ضريب فورچهيمر براي هندسه‌هاي توليدي محاسبه گرديده و با نتايج تجربي و شبيه‌سازي‌هاي عددي ديگر تحقيقات مقايسه شده است و همخواني مناسبي بين آن ها وجود دارد. در بخش ديگري از مطالعه براي بررسي تاثير شرايط مرزي، مقايسه‌اي بين نتايج حاصل از شبيه‌سازي با و بدون در نظر گرفتن هدايت حراتي انجام شده است و نتايج تاثير بررسي هدايت حرارتي را به خوبي نشان مي‌دهند.

207667

دانشگاه علم و صنعت ايران

مهندسي مكانيك

مجيد سياوشي