شبیه سازی عددی انتقال حرارت و جریان سیال در محیط های متخلخل فلزی

در حال حاضر یکی از مهم¬ترین چالش¬ها در رابطه با ساخت فوم¬ها، طراحی بر اساس ویژگی¬های کاربردی آن¬ها می¬باشد. بنابراین اولین قدم در زمینه طراحی آن¬ها، می¬تواند مشتمل بر انجام فرایند شبیه¬سازی و یا به عبارتی حل دقیق معادلات انتقال باشد که در واقع به دلیل پیچیدگی ساختار هندسی فوم¬ها، با دشواری¬های فراوانی همراه می¬باشد. از اینرو اغلب بررسی¬های عددی روی هندسه¬های ایده¬ال و غیر واقعی فوم، از جمله مدل کلوین صورت گرفته است. دلایل این امر را می¬توان در مشکل بودن ساخت هندسه واقعی فوم و نحوه مش زدن آن اشاره کرد. لذا در تحقیق حاضر شبیه¬سازی رفتار هیدرودینامیکی و حرارتی سیال در فوم¬های فلزی با هندسه واقعی و با استفاده از شبکه محاسباتی هگزاهدرال صورت پذیرفته است. بدین منظور معادلات پیوستگی، انتقال مومنتم و حرارت برای سیال داخل محیط متخلخل فوم (با درصد تخلخل¬های 85، 90، 95 و 98) به وسیله الگوریتم حجم محدود، حل گردیده است. نتایج بدست آمده نشان می¬دهد که ضرایب ترم خطی و غیر خطی معادله افت فشار (-dp/dx=αu + βu^2) به ترتیب در محدوده محدوده 2.31×〖10〗^(-4)<α<1.21×〖10〗^(-3) و 228<β<3733 قرار دارد. همچنین گرمای انتقال یافته به روش هدایت، وابستگی شدیدی به ضریب هدایت حرارتی فاز جامد نشان داد. اما میزان حرارت انتقال یافته در جابجایی اجباری، در طول کمی از بستر انجام می¬شود و بعد از آن تعادل دمایی بین جامد و سیال بر قرار می-شود. اما از طرفی نمودار فاکتور اصطکاک بر حسب عدد رینولدز نشان داد که در دامنه¬ی re < 1 جریان آرام و در دامنهre > 1 جریان وارد ناحیه گذرا می¬شود. در ضمن بایستی به این نکته اشاره نمود که با اعمال گرادیان حرارتی، عدد رینولدز گذرا متناسب با میزان تخلخل تغییر می¬کند. همچنین در کار حاضر رابطه¬ی جدیدی برای عدد ناسلت براساس مشخصات هندسی فوم توسعه داده شده که برای ارائه آن از دیدگاه میکروسکوپی استفاده شده است. با استفاده از این دیدگاه، محدودیت¬های مدل¬های پیشین از جمله عدم توجه به ساختار هندسی فوم، رفع شده است. از طرفی برای به دست آوردن پیچیدگی مسیر عبور جریان سیال، از روش تزریق ذره در داخل محیط متخلخل و رصد مسیر عبور ذره، استفاده شده است. مطابق با نتایج حاصل، فاکتور پیچیدگی با افزایش درصد تخلخل کاهش می¬یابد. همچنین این فاکتور میانگینی از طول مسیر پیموده شده به وسیله جریان می¬باشد و مقدار آن در جهات گوناگون به دلیل غیر یکنواختی توزیع تخلخل¬ها، متفاوت می¬باشد. در نهایت با اتکا به نتایج حاصل از این پژوهش، می¬توان بستری هر چند کوچک را در راستای توسعه¬ی طراحی فوم¬ها با کاربرد¬های مختلف، فراهم نمود.