مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

بررسی عددی انتقال حرارت در پره متخلخل با توزیع تخلخل ناهمگن و با در نظر گرفتن اثر تشعشع حرارتی

نویسندگان
1 دانشیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران
2 دانشجوی کارشناسی ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران
چکیده
در پژوهش حاضر، انتقال حرارت در یک پرهی متخلخل با در نظر گرفتن مکانیزم انتقال حرارت جابجایی طبیعی و تشعشعی مورد تحلیل و بررسی قرار میگیرد. برای مدل سازی مکانیزم انتقال حرارت تشعشعی از مدل تشعشعی جهتهای مجزا ) DO ( استفاده شده است. همچنین برای مدل سازی محیط متخلخل، مدل دارسی برینکمن فورچهایمر در نظر گرفته شده است. برای حل معادلات حاکم بر مسئله، از روش حداقل مربعات و روش دینامیک سیالات محاسباتی استفاده شده است. صحت و دقت نتایج حاصل از روش حداقل مربعات با نتایج حاصل از روش شبیهسازی عددی، مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین تاثیر پارامترهایی نظیر توزیع همگن و ناهمگن تخلخل در طول محیط متخلخل، عدد رایلی، عدد دارسی، تخلخل و ضریب صدور سطح بر روی توزیع درجه حرارت در طول فین متخلخل و عدد ناسلت فین متخلخل مورد بررسی قرار گرفته است. بر اساس نتایج بدست آمده، نتایج حاصل از حل حداقل مربعات، با نتایج حاصل از شبیه سازی عددی، انطباق خوبی دارند. متوسط خطا در این حالت ۳.۳۹% است. همچنین صرف نظر کردن از اثر مکانیزم انتقال حرارت تشعشعی در آنالیز انتقال حرارت فین متخلخل به طور متوسط ۱۰−۲۰% خطا در محاسبه عدد ناسلت ایجاد مینماید. به علاوه با در نظر گرفتن توزیع ناهمگن غیر خطی تخلخل، در راستای طولی محیط متخلخل، افزایش ۲۳% در عدد ناسلت فین محیط متخلخل مشاهده میگردد. پس با انتخاب مناسب پروفیل توزیع تخلخل میتوان نرخ انتقال حرارت را به طرز قابل توجهی افزایش داد.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Numerical analysis of heat transfer in porous fin with non-homogeneous porosity and considering thermal radiation effect

نویسندگان English

S. Nourazar 1
M.R. Mohammadpour 2
1 Department of Mechanical Engineering, Amirkabir of University of Technology, Tehran, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Amirkabir of University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In this study, the analysis of heat transfer in porous fin considering thermal radiation and natural convection is investigated. In order to model radiation, discrete ordinates method is used. Also, Darcy–Brinkman–Forchheimer model is applied for simulating porous media. A Least square method and numerical simulation (computational fluid dynamics) are applied to obtain the solution of governing equations. In addition, accuracy of LSM results is compared with the numerical simulation results. Moreover, the effects of homogeneous and non-homogeneous porosity along the porous media, Rayleigh number, Darcy number, porosity, surface emissivity, on temperature distribution along the length of porous fin and Nusselt number are investigated. Results show that the numerical simulation and LSM results are in good agreement with each other (With average error of 3.39%). Also neglecting thermal radiation effect in heat transfer analysis of porous fin leads to 10- 20% error in the Nusselt number value. Moreover, by applying nonlinear variable porosity along the porous media, the Nusselt number will increase up to 23% with respect to the homogeneous porosity. So in order to enhance heat transfer rate, porosity profile should be applied appropriately along the porous media.

کلیدواژه‌ها English

porous fin
non-homogeneous porosity
Radiative Heat transfer
Nusselt number
Computational Fluid Dynamics
[1]Y. A. cengel. A. J. %ajar. Heat and Mass Transfer: Fundamental & Applications, pp. 170-172, Fifth edition, New York: McGraw-Hill Education, 2015.
[2] R. A. Malta H. A. Mohammed, K. M. Munisamy, N. H. Saeid, Review of convection heat transfer and fluid flow in porous media with nanofluid, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 41, No.1, pp. 715-734, 2015.
[3] E. Ozturk, CFD Analysis of Heat Sinks for CPU Cooling with Fluent, MSc thesis, Ankara, Turkey: Middle East Technical University, 2004.
[4] H. G. Zhang, E. H. Wang, B. Y. Fan, Heat transfer analysis of a finned-tube evaporatorfor engine exhaust heat recovery, Energy Conversion and Management, Vol. 65, No.1, pp. 438-47, 2013.
[5] K. Thulukkanatn, Heat Exchanger Design Handbook, pp. 17-20. Second Edition, India: CRC Press, 2013.
[6] M. K. Alkam, M. A. Al-Nimr. Solar collectors with tubes partially filled with porous substrate. ASME Jounal of Solar Energy Engineering, Vol. 121, No. 1,pp. 20-4, 1999.
[7] M. Kaviany, Principle of Heat Transfer in Porous Media, pp. 1-11, Second ed, New York: Springer, 1995.
[8] D. A. Neild, A. Bejan. Convection in Porous Media, pp. 147-148, New York: Springer Science+Business Media, 2006.
[9] P. R. S. Mendes, M. F. Naccache, C. V. M. Braga, A. 0. Nieckele et al, Flows of binghtun materials through ideal porous media: an experimental and theoretical study. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences, Vol.24, No.1, pp. 40-45, 2002.
[10] S. Kiwan, M. Al-Nimr, Using porous fins for heat transfer enhancement, ASME Jounal of Heat Transfer, Vol. 123, No. 4, pp. 790-5, 2001.
[11] S. E. Ghasemi, M. Hamill, D. D. Ganji, Thermal analysis of convective fin with temperature-dependent thermal conductivity and heat generation, Case Studies in Thermal Engineering, Vol. 4: No. 1, pp. 1-8, 2014.
[12] S. Y. Kim, J. W. Paek, B. H. Kang, Flow and heat transfer correlations for porous fin in a plate-fin heat exchanger, ASME Journal of Heat transfer, Vol. 122, No. 3, pp. 572-8, 2000.
[13] E. Cuce, P. M. Cuce, A successful application of homotopy perturbation method for efficiency and effectiveness assessment of longitudinal porous fins, Energy Conversion and Management, Vol. 93,No. 1, pp. 92-9, 2015.
[14] E. Bilgen, Natural convection in cavities with a thin fm on the hot wall, International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48 , No. 17, pp. 3493-3505,2005.
[15] Y. Sun, J. Xu, Thermal performance of continuously moving radiative-convective fin of complex cross-section with multiple nonlinearities, International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 63, No.1, pp. 23-34, 2015.
[16] S. Nourazar, M. Mohanunadpour, Free and forced convectional heat transfer analysis of rectangular porous fm with Differential transformation method, Modares Mechanical Engineering, Vol. 17, No. 6. pp. 393-400, 2017. (in Persian
[17] S. Kiwan, 0. Zeitoun, Natural convection in a horizontal cylindrical annulus using porous fins. International Journal of Numerical Methods for Heat and Fluid Flow, Vol. 18, No. 5, pp. 618-634, 2008.
[18] J. N. Stain, Modeling of Radiative Heat Transfer in solid oxide file! cells, MSc thesis, Delft, Netherlands: Delft University of Technology, 2015.
[19] Q. D. Hassankiadeh, D. Rahimyar Heris, M. Khosravy el-Hossaini, Study of coupled radiation and natrual convection in a square porous cavity using non-equilibrium model, Modares Mechanical Engineering, Vol. 13, No. 1, pp. 85-94, 2013. (in Persian
[20] M. Ashjaee, T. Yousefi, H. Shokoulunand, A comparison between the local free convection heat transfer coefficients of horizontal cylinders in vertical and inclined arrays, The University of Tehran's Scientific Journals, No. 4, Vol. 41, 2007.
[21] M. K. el-hosseini, D. R. Heris, Q. Dorosti, Comparison of different radiative transfer equation approximation in modeling of porous radiant bunter, Modares Mechanical Engineering, Vol. 12, No. 6, pp. 30-41, 2012. (in Persian „...,11)
[22] H. K. Versteeg, W. Malalasekera, An Introduction to Computational Fluid Dynamics, pp. 417-440, Second Edition, England: Pearson Education, 2007.
[23] M. Hattuni, M. Sheikholeslami, D. D. Ganji, Laminar flow and heat transfer of nanofluid between contracting and rotating disks by least square method, Powder Technology. Vol. 253, No. 1, pp. 769-779, 2014.
[24] Engineering Equation Stover (EES) (Professional Version 9.430) , F- chart software, 2013.
[25] S. Kiwan, Effect of radiative losses on the heat transfer from porous fins, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 46, No. 10, pp. 1046-55, 2007.
[26] Y. B. Tao, Y. L. He, J. Huang. Z. G. Wu et al, Numerical study of local heat transfer coefficient and fm efficiency of wavy fin-and-tube heat exchangers, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 46,No. 8, pp. 768-778,2007.
[27] M. Bovand, S. Rashidi, M. Dehesht, J. A. Esfahani, Effect of fluid-porous interface conditions on steady flow around and through a porous circular cylinder, International Journal of Numerical Methods for Heat & Fluid Flow, Vol. 25, No. 7, 2015.
[28] S. Kakag, B. Kilkis, F. A. Kulacki, F. Arinc, Convective heat and Mass Transfer in Porous Media, pp. 569-570 , Netherlands: Springer Science & Business Media. 1991.