میکسر متخلخل، انتقال حرارت نانوسیال، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

توضیحات

شرح پروژه (میکسر متخلخل)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی یک میکسر متخلخل (porous mixer) برای افزایش انتقال حرارت نانوسیال (nanofluid) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

در این شبیه سازی، اختلاط جریان نانوسیال گرم (303 کلوین) و سرد (293 کلوین) مورد بررسی قرار گرفت؛ درحالی که اختلاط این دو جریان یک بار با استفاده از 28 میکسر و یک بار با استفاده از 54 میکسر به عنوان یک محیط متخلخل مدل‌سازی شده است.

هندسه مدل حاضر با استفاده از نرم افزار Spaceclaim ترسیم شدند و سپس مش بندی آن با استفاده از نرم افزار انسیس مشینگ (Ansys Meshing) تولید شد. دو نوع هندسه برای این پروژه در نظر گرفته شده است. حالت اول، جایی است که دو ردیف میکسر وجود دارد و حالت دوم، جایی است که چهار ردیف میکسر وجود دارد.

سلول‌های ایجاد شده برروی هندسه با روش مثلثی و از نوع بدون سازمان (unstrructured) هستند. تعداد سلول های مورد اول برابر 87501 و برای مورد دوم برابر 83180 است. دو مرز ورودی برای این پروژه وجود دارد. هر دو دارای سرعت 0.1 متربرثانیه هستند. با این حال، دما برای ورودی بالا برابر 293 کلوین و برای ورودی پایین برابر 303 کلوین است.

روش‌های استفاده شده

یک الگوریتم جفت شده در کوپل فشار-سرعت اعمال شده است و مدل Realizable-Standard به عنوان مدل توربولانسی انتخاب شده است. نانوسیال به عنوان یک سیال تک فاز با خواص ترموفیزیکی اصلاح شده مدل‌سازی شده است. این مشخصه‌ها با استفاده از فرمول‌های زیر محاسبه می‌شوند. میکسرها به عنوان محیط متخلخل آلومینیومی با نفوذپذیری متخلخل برابر با یک شبیه سازی می‌شوند.

به طوری که به ترتیب معادل چگالی (density)، ویسکوزیته (viscosity)، گرمای مخصوص (specific heat) و ضریب هدایت حرارتی (thermal conductivity) نانوسیال و کسر حجمی (volume fraction) نانوذرات در سیال هستند.

مقدار تخلخل را به صورت زیر تعریف می‌کنیم:

که در آن V_v معادل حجم خالی و V_t معادل حجم کل است. با توجه به ابعاد مسئله، تخلخل برای مورد دو ردیفه معادل 0.937 و برای مورد چهار ردیفه معادل 0.875 است.

نتایج

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای (contour) مربوط به سرعت، فشار استاتیکی، دما، و همچنین بردارهای (vector) سرعت به دست می‌آیند. همان‌طور که از تصاویر می‌بینید، کانتور سرعت برای مورد دو ردیفه به صورت یکنواخت‌تر است.

دلیل آن را می‌توان به تعداد کمتر مکعب‌ها و درنتیجه، تغییر کمتر شیب سرعت (به دلیل برخورد جریان با لبه‌های تیز) نسبت داد. حداکثر و متوسط سرعت در مورد چهار ردیفه بالاتر است.

این امر نشان می‌دهد که اگرچه تعداد نواحی جداسازی در حالت چهار ردیفی بیشتر است، جداسازی‌ها در مورد دو ردیفی قابل توجه‌تر است. اختلاف فشارها نیز نشان می‌دهند که فشار برای کیس دو ردیفه منفی‌تر است. این امر از معادله برنولی نیز قابل درک است.

فشار مقادیر مثبت بیشتری در بالای دامنه محاسباتی دارد، جایی که دما کمتر از سایر دماهای روی دامنه محاسباتی است. کانتورهای دما نشان می‌دهد که مقادیر حداکثر و متوسط دما برای هر دو مورد یکسان است.

با این حال، در حالت چهار ردیفی، به دلیل شکل هندسی، دامنه تغییرات دما به صورت گسترده‌تر و تغییرات کندتر است. ما نمودار دما را در خط مرکزی هندسه‌ها ارائه می‌دهیم.

همان‌طور که از نمودار می‌بینیم، برای حالت چهار ردیفی، دما در مرکز هندسه به دلیل تعداد بیشتر نواحی جداسازی مقدار بیشتری دارد.