An experimental and numerical study on interfacial convective heat transfer coefficient and thermal dispersion conductivity of a periodic porous medium under mixed convection heat transfer

Abstract

The need on effective heat transfer enhancement has been increasing day by day. Because of that, researchers/engineers who work on heat transfer are required to obtain new techniques to address raising accumulation of heat transfer. Heat transfer can be enhanced by active and passive methods and passive methods are mostly chosen, as no external power input is required. Porous media is one of the most popular passive heat transfer techniques. Porous media can be divided into periodic and stochastic structures. In this thesis, the analysis of heat and fluid flow in 2D periodic structure and 3D aluminum and ceramic foam structures under mixed and forced convection heat transfer are studied. The governing equations are solved at pore scale and volume-averaged transport parameters as permeability, inertia coefficient, interfacial heat transfer coefficient and thermal dispersion are obtained by using volume averaging of the obtained pore scale velocity, pressure and temperature. For the change of periodic structure, the interfacial heat transfer coefficient and thermal dispersion with respect to Reynolds, Richardson and porosity under mixed convection are studied probably for the first time in literature. For foam structure, the changes of permeability, inertia coefficient, interfacial heat transfer coefficient and thermal dispersion with respect to Re are discussed. The determination of thermal dispersion by using tomography method is probably reported for the first time. For 2D periodic structures, the interfacial convective heat transfer coefficient successfully found while for the thermal dispersion conductivity the Volume Averaging Technique fails for high Richardson numbers under mixed convection. Based on good agreement between the computational values of this study and reported correlation in literature, it is observed that the use of micro-tomography technique for determination of volume-averaged transport parameters yield satisfactory results if properly used. The comprehensive methods for inspection, verification and validation of the obtained computational results for 3D digitally generated foam are suggested.

Teknolojinin ilerlemesiyle beraber, etkin ısı transferi artırımına olan ihtiyaç günden güne artmaktadır. Araştırmacıların/mühendislerin, gelişen teknoloji ile beraber ihtiyacı artan etkin ısı transferi artırımını yapabilmesi için aktif ve pasif olmak üzere iki ana yöntem bulunmaktadır. Gözenekli ortam son zamanlarda popülerliği artan bir pasif ısı transferi yöntemidir. Gözenekli ortamlar periyodik ve stokastik olmak üzere iki ana başlık altında toplanabilir. Bu çalışmada, 2-boyutlu periyodik ve 3-boyutlu alüminyum ve seramik köpük yapılar, zorlanmış ve karışık taşınım altında incelenmiştir. Yürütücü denklemler, gözenek seviyesinde çözülmüş ve elde edilen hız, basınç ve sıcaklık dağılımı kullanılarak, Hacimsel Ortalama Yöntemi ile geçirgenlik, atalet ve arayüzey ısı taşınım katsayısı ile ısıl dispersiyon gibi hacimsel ortalama taşınım parametreleri bulunmuştur. Periyodik yapılar, değişik gözeneklilik, Reynolds ve Richardson sayısı değerlerinde, karışık taşınım için, açık literatürde ilk defa incelenmiştir. Köpük yapılar için ise, geçirgenlik, atalet katsayısı ve arayüzey ısı taşınım katsayısı ile ısıl dispersiyonun, zorlanmış ve karışık taşınım altında Reynolds sayısı ile değişimi incelenmiştir. Isıl dispersiyon, bilgisayarlı mikro-tomografi kullanılarak literatürde ilk defa elde edilmiştir. 2-boyutlu periyodik yapılarda, arayüzey ısı taşınım katsayısı başarı ile elde edilmiş, ancak ısıl dispersiyon hesaplarken Hacimsel Ortalama Yöntemi’nin karışık taşınım altında ve yüksek Richardson değerlerinde istenilen gibi yanıt vermediği görülmüştür. Literatürde yer alan zorlanmış taşınım çalışmaları ile yapılan karşılaştırma sonucunda, bu çalışmanın literatürdeki sonuçlar ile iyi bir uyum gösterdiği gözlemlenmiştir. Bu çalışma göstermiştir ki, Hacimsel Ortalama Yöntemi doğru olarak kullanıldığında, mikro-tomografi yöntemi ile hacimsel ortalama taşınım parametreleri başarı ile elde edilebilmektedir. Bilgisayar ortamında mikro-tomografi yöntemi ile elde edilen 3-boyutlu model ve sayısal çözüm sonucu elde edilen yürütücü denklem sonuçlarının incelenmesi, doğruluğunun ve geçerliliğinin ispatlanması için takip edilmesi gereken yol hakkında, bu çalışmadan elde edilen sonuçlar yorumlanarak gelecek çalışmalara fikir verilmesi hedeflenmiştir.