مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

مدل‌سازی جریان توسعه‌یافته آرام در حضور انتقال جرم و حرارت درون کانال پیل سوختی

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
گروه مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه بیرجند، بیرجند، ایران
چکیده
در این مقاله جریان آرام و توسعه‌یافته همراه با انتقال حرارت و جرم در یک کانال پیل سوختی با سطح مقطع مستطیلی مورد بررسی قرار گرفته است. کانال مستطیلی مستقیم بوده و دارای یک دیوار متخلخل و سه دیواره غیرمتخلخل است. معادلات حاکم شامل معادلات ممنتوم و انرژی هستند که توسط یک کد دوبُعدی (شبه سه‌بُعدی) حل شده و منحنی‌های توزیع سرعت، توزیع فشار و توزیع دما در طول کانال و پارامترهای بدون بُعد جریان مانند ضریب اصطکاک و عدد ناسلت در نسبت منظری‌های مختلف کانال محاسبه و ترسیم شده‌اند. برای جریان از شرط مرزی عدم لغزش و برای انتقال حرارت از شرط مرزی معمول در پیل سوختی استفاده شده است. به‌طوری که روی دیواره متخلخل از شرط مرزی شار حرارتی ثابت و روی سه دیواره غیرمتخلخل از شرط مرزی ثابت دما استفاده شده است. نتایج نشان می‌دهند که برای یک نسبت منظری معین، ضریب اصطکاک در حالت تزریق بیشتر از مکش است و با افزایش میزان تزریق و مکش، اختلاف آنها بیشتر می‌شوند. علاوه بر این، مقدار ضریب اصطکاک برای نسبت منظری یک (سطح مقطع مربعی) چه برای تزریق و چه مکش حداقل است. عدد ناسلت هم برای تزریق و هم برای مکش در نسبت منظری واحد حداقل است. همچنین توزیع سرعت و دما در طول کانال و همچنین توزیع بی‌بُعد این دو پارامتر همراه با تزریق و مکش و بدون آن در نسبت منظری‌های مختلف ترسیم و مورد بحث قرار گرفته‌اند.
کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله English

Modeling of Laminar Fully Developed Flow in the Presence of Mass and Heat Transfer inside the Fuel Cell Channel

نویسندگان English

P. Maghsudi
S.A. Mirbozorgi
H. Hassanzadeh
Mechanical Engineering Department, Engineering Faculty, University of Birjand, Birjand, Iran
چکیده English

In this paper, the and fully developed flow with heat and mass transfer in a fuel cell channel with rectangular cross-section is investigated. The rectangular channel is straight and has a porous wall and three non-porous walls. The governing equations including the momentum and energy equations solved by a two-dimensional code (quasi-three-dimensional), and the velocity, pressure and temperature distribution curve along the channel, and non-dimensional flow parameters such as the friction coefficient and the Nusselt number in different aspect ratios are calculated and plotted. For the flow, the non-slip boundary condition is used and for the heat transfer, the usual boundary conditions in the fuel cell so that on the porous wall, the constant heat flux boundary condition is used and three other non-porous walls, constant temperature boundary condition The results show that for a given aspect ratio, the friction coefficient in the injection condition is greater than suction condition, and by increasing the amount of injection and suction, the difference between them increases. In addition, the value of friction coefficient unit aspect ratio 1 (square cross-section) is minimal for suction and ejection. The value of the Nusselt number is minimal at unit aspect ratio for both suction and injection. Also, the distribution of velocity and temperature along the channel as well as of parameters along with injection and suction and without it in different aspect ratios are plotted and discussed.

کلیدواژه‌ها English

fuel cell
Mass Penetration
Flow Channels
Kone JP, Zhang X, Yan Y, Hu G, Ahmadi G. Three-dimensional multiphase flow computational fluid dynamics models for proton exchange membrane fuel cell: A theoretical development. The Journal of Computational Multiphase Flows. 2017;9(1):3-25. [Link] [DOI:10.1177/1757482X17692341]
Li X, Sabir I. Review of bipolar plates in PEM fuel cells: Flow-field designs. International Journal of Hydrogen Energy. 2005;30(4):359-371. [Link] [DOI:10.1016/j.ijhydene.2004.09.019]
Hontanon E, Escudero MJ, Bautista C, Garcıa-Ybarra PL, Daza L. Optimisation of flow-field in polymer electrolyte membrane fuel cells using computational fluid dynamics techniques. Journal of Power Sources. 2000;86(1-2):363-368. [Link] [DOI:10.1016/S0378-7753(99)00478-4]
O'hayre R, Cha SW, Colella WG, Prinz FB. Fuel cell fundamentals. 3rd Edition. Hoboken: John Wiley & Sons; 2016. [Link] [DOI:10.1002/9781119191766]
Kinney RB. Fully developed frictional and heat-transfer characteristics of laminar flow in porous tubes. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1968;11(9):1393-1401. [Link] [DOI:10.1016/0017-9310(68)90184-1]
Hwang GJ, Cheng YC, Ng ML. Developing laminar flow and heat transfer in a square duct with one-walled injection and suction. International Journal of Heat and Mass Transfer. 1993;36(9):2429-2440. [Link] [DOI:10.1016/S0017-9310(05)80126-7]
Yuan J, Rokni M, Sundén B. Simulation of fully developed laminar heat and mass transfer in fuel cell ducts with different cross-sections. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2001;44(21):4047-4058. [Link] [DOI:10.1016/S0017-9310(01)00052-7]
Barletta A, Rossi Di Schio E, Zanchini E. Combined forced and free flow in a vertical rectangular duct with prescribed wall heat flux. International Journal of Heat and Fluid Flow. 2003;24(6):874-887. [Link] [DOI:10.1016/S0142-727X(03)00090-0]
Hassanzadeh H, Mansouri SH, Mehrabian MA, Sarrafi A. A two-dimensional simulation of developing laminar heat and mass transfer in fuel cell channels with uniform suction of O2 and H2. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A Journal of Power and Energy. 2008;222(1):47-59. [Link] [DOI:10.1243/09576509JPE401]
Hassanzadeh H, Mehrabian MA. Modeling heat and mass transfer in laminar forced flow between parallel plates with suction or injection boundary conditions. Iranian Journal of Hydrogen and Fuel Cell. 2015;2(1):35-46. [Link]
Hassanzadeh H, Li X, Baschuk JJ, Mansouri SH. Numerical simulation of laminar flow development with heat and mass transfer in PEM fuel cell flow channels having oxygen and hydrogen suction at one channel wall. International Journal of Energy Research. 2011;35(8):670-689. [Link] [DOI:10.1002/er.1717]
Doosti Abukheyli A, Hassanzadeh H, Mirbozorgi SA. Pseudo 3D modeling of suction and injection effects on fully developed laminar flow and heat transfer in rectangular fuel cell channels. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part A Journal of Power and Energy. 2018;232(3):266-281. [Link] [DOI:10.1177/0957650917732450]
Barletta A. Fully developed mixed convection and flow reversal in a vertical rectangular duct with uniform wall heat flux. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2002;45(3):641-654. [Link] [DOI:10.1016/S0017-9310(01)00160-0]
Bejan A. Convection heat transfer. 4th Edition. Hoboken: John Wiley & Sons; 2013. [Link] [DOI:10.1002/9781118671627]
Doosti Abukheyli A, Hassanzadeh H, Mirbozorgi SA. Modeling of fully developed laminar flow with heat and mass transfer in fuel cell channels with different cross-sections [Dissertation]. Birjand: University of Birjand; 2011. [Persian] [Link]
Versteeg HK, Malalasekera W. An introduction to computational fluid dynamics: The finite volume method. London: Pearson Education; 2007. [Link]
Shah RK, London AL. Laminar flow forced convection in ducts: A source book for compact heat exchanger analytical data. Cambridge: Academic Press; 1978. [Link]
Van Male P, De Croon MHJM, Tiggelaar RM, Van Den Berg A, Schouten JC. Heat and mass transfer in a square microchannel with asymmetric heating. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2004;47(1):87-99. [Link] [DOI:10.1016/S0017-9310(03)00401-0]