شبیه سازی جریان سیال با استفاده از روش شبکه بولتزمن به همراه آنالیز حرارتی در یک مبدل حرارتی متخلخل چند لایه

افزایش راندمان حرارتی دستگاههای حرارتی مسئله ای است که همیشه مورد بحث و تحقیق دانشمندان و محققین قرار داشته است. استفاده از محیط های متخلخل در ساختمان دستگاههای حرارتی که با درجه حرارت بالا سرو کار دارند یکی از راهکارهایی است که می تواند منجر به افزایش راندمان این گونه سیستم ها شود. با نصب لایه متخلخل در مسیر عبور گازهای داغ حاصل از احتراق می توان انرژی حرارتی بسیار زیادی از گاز دریافت نمود و این انرژی دریافتی را به انرژی تشعشعی تبدیل نمود. از طرف دیگر، یکی از مهمترین ویژگیهای محیط های متخلخل داشتن سطح زیاد در واحد حجم می باشد. با در نظر گرفتن این ویژگی و بر پایه تبدیل انرژی بین آنتالپی گاز جاری و انرژی تشعشعی می توان یک مبدل حرارتی متخلخل گاز به گاز طراحی نمود. در مطالعه حاضر آنالیز حرارتی دو بعدی همراه با شبیه سازی جریان در یک مبدل حرارتی متخلخل سه لایه مورد بررسی قرار گرفته است. این مبدل از سه قسمت تشکیل شده است که بوسیله دو شیشه از جنس کوارتز از یکدیگر جدا شده اند به طوریکه لایه با دمای بالا در میان دو قسمت بازیاب قرار گرفته است. جهت شبیه سازی جریان داخل محیط متخلخل از روش شبکه بولتزمن استفاده شده است. روش شبکه بولتزمن بر مبنای مدل های میکروسکوپیک و معادلات جنبشی مزوسکوپیک استوار است. از آنجا که دو فاز جامد و گاز در تعادل حرارتی قرار ندارند، لازم است که معادله انرژی برای فاز جامد و فاز گاز به طور جداگانه نوشته شده و حل عددی گردند. اثرات هدایت حرارتی هم برای فاز جامد و هم برای فاز گاز لحاظ شده است. محیط متخلخل علاوه بر انتقال حرارت جابجایی با جریان گاز قادر است انرژی تشعشعی را جذب، پخش و صادر کند در حالیکه از اثرات تشعشعی فاز گاز در مقایسه با فاز جامد صرفنظر شده است. جهت آنالیز حرارتی مبدل حرارتی متخلخل، معادلات انرژی فاز گاز و فاز جامد و معادله انتقال حرارت تشعشعی به طور همزمان حل عددی گردیده است تا توزیع دمای فازهای جامد و گاز و توزیع شار تشعشعی در طول محیط متخلخل بدست آیند. لازم به ذکر است به منظور حل معادله انتقال حرارت تشعشعی از روش طولهای مجزا استفاده شده است. در ادامه اثر پارامترهای مختلف بر عملکرد سیستم مورد مطالعه قرار گرفته است. انطباق بین نتایج کار حاضر و نتایج دیگر محققین رضایت بخش می باشد علیرغم اینکه از مدلهای تشعشعی مختلف جهت انجام محاسبات تشعشعی بهره گرفته شده است.