مقایسه روش های محیط پیوسته و پیوسته متخلخل در بررسی پدیده انتقال در جابجایی طبیعی در محیط متخلخل و بررسی فاکتورهای موثر جهت بهینه نمودن روش پیوسته متخلخل

مطالعه پدیده انتقال حرارت و جریان سیال در یک محیط متخلخل مورد علاقه بسیاری از علوم مهندسی از قبیل مکانیک، شیمی و عمران می باشد. برخی از کاربردهای آنها شامل پروسه¬های خشک نمودن، اکتشاف و استخراج نفت، خنک کاری تجهیزات الکترونیک و.... می باشد. جهت این مطالعات روشهای گوناگونی پیشنهاد گردید. از جمله این روشها، روش محیط پیوسته بوده که در آن فازهای جامد و مایع به طور جداگانه مدل شده، و البته نیاز به تعریف سطوح مشترک مایع-جامد داشته و در نتیجه برای محیط های متخلخل پیچیده، مدل¬سازی و همچنین انتخاب نوع و تعداد شبکه مناسب، اندکی دشوار خواهد بود. این مطلب ممکن است بر زمان اجرای برنامه¬ها نیز تاثیر گذاشته و آنها را طولانی¬تر نماید. اما روش دیگر، روش پیوسته متخلخل بوده که در آن فازهای جامد و مایع با انتگرال گیری از میدان حل، به طور پیوسته در نظر گرفته می شوند. لذا با توجه به در نظر گرفتن یک محیط یکنواخت در میدان حل، نیاز به مدل سازی دقیق سطوح مشترک جامد-مایع نداشته و امکان انتخاب شبکه درشتر و در نتیجه زمان اجرای کمتر برنامه¬ها وجود دارد. اما در مطالعه جابجایی طبیعی در محیط متخلخل در محدوده اعداد رایلی بالا، نتایج روش پیوسته متخلخل با نتایج متناظرش در روش محیط پیوسته اختلاف داشته، لذا در اعداد رایلی بالا نیاز به بررسی بیشتر روش پیوسته متخلخل در مقایسه با روش محیط پیوسته و بررسی امکان بهبود آن وجود دارد. در این تحقیق روش محیط پیوسته در جابجایی طبیعی در یک محیط متخلخل شامل بلوک های هادی جامد با توزیع منظم و تصادفی، با روش پیوسته متخلخل در حالت دو بعدی و سه بعدی مورد مقایسه قرار گرفت. به جهت بهبود روش پیوسته متخلخل حاضر، دو حالت تک معادله ای و دو معادله ای انرژی (با در نظر گرفتن عبارات پراکندگی حرارتی و عدم تعادل دمایی موضعی) مورد بررسی قرار گرفت. عدد ناسلت متوسط محفظه، خطوط جریان و ایزوترم بدست آمده از روش محیط پیوسته در بازه وسیعی از اعداد رایلی، تخلخل و نسبت ضرایب هدایت حرارتی جامد-مایع با مقادیر متناظر آن در روش پیوسته متخلخل مورد مقایسه قرار گرفت. برای انجام آن، معادلات حاکم با استفاده از روش حجم کنترل، گسسته شده و طرح توان پیرو جهت محاسبه ضرایب معادلات گسسته استفاده گردید. همچنین به منظور محاسبه میدان فشار و ارتباط آن با میدان سرعت از الگوریتم سیمپل استفاده گردیده و در ادامه جهت تولید نتایج دو روش یک کد کامپیوتری فرترن نوشته شده است. در نهایت سعی گردید روش پیوسته متخلخل با استفاده از الگوریتم های بهینه سازی تکاملی، بهینه گردد. نتایج نشان داد که در تخلخل های بالا نتایج دو روش به یکدیگر نزدیک می¬باشد. همچنین مشاهده گردید که در نظر گرفتن عبارات پراکندگی حرارتی و عدم تعادل دمایی موضعی می تواند باعث بهبود پروسه انتقال حرارت در اعداد رایلی بالا بخصوص در نسبت ضرایب هدایت حرارتی جامد-مایع پایین تر شده، و این اثر مثبت می تواند با افزایش اندازه بلوکهای جامد و عدد دارسی، بیشتر نیز گردد. همچنین مشاهده گردید که در اعداد رایلی پایین تاثیر عبارت پراکندگی حرارتی و عدم تعادل دمایی موضعی ناچیز بوده و در نتیجه می توان در مدل سازی روش پیوسته متخلخل از این عبارات صرفنظر نمود، و نیز نشان داده شد که با تغییر ضرایب عبارات پراکندگی حرارتی و عدم تعادل دمایی موضعی می¬توان به نتایج بهینه¬تری در روش پیوسته متخلخل در مقایسه با روش محیط پیوسته در اعداد رایلی بالا دست یافت. نتایج مدل سازیهای سه بعدی نشان داد دو روش مطابقت خوبی در میدان سه بعدی نیز با یکدیگر دارند.