Исследование влияния геометрии высокопористого ячеистого материала на значение энергетической эффективности

ЦЕЛЬ. Повышение энергоэффективности высокопористых ячеистых материалов с различной геометрией (SC, BCC, FCC, DEM) и с различными пористостями среды(ε=0,7; ε=0,75; ε=0,8; ε=0,85; ε=0,9; ε=0,95) посредством численного моделирования. Определить влияние геометрии и пористости ячеистого материала на значения перепада давления, тепловой поток и показатель энергетической эффективности.

МЕТОДЫ. Численное моделирование проводилось в программном комплексе ANSYS Fluent v. 19.2. Геометрические модели пористых сред представляют собой наборы пересекающихся сфер с различной структурой упаковки: периодическая простая кубическая упаковка (SC), гранецентрированная кубическая упаковка (FCC), объемно-центрированная кубическая упаковка (BCC) и случайная структура, созданная методом дискретных элементов (DEM). Расчеты проводились при следующих скоростях потока воздуха: 0,01; 0,05; 0,25; 0,5; 0,75; 1; 1,25 м/с.

РЕЗУЛЬТАТЫ. При скоростях потока воздуха 0,01 м/с и 0,05 м/с все исследуемые структуры демонстрируют близкие значения теплового потока. При значениях пористости ε=0,75; ε=0,8; ε=0,85 наибольшие значения теплового потока показала структура FCC, при пористостях ε=0,7;ε=0,9; ε=0,95 наибольший тепловой поток имела структура BCC. Это объясняется тем, что при соответствующих значениях пористости структура FCC или BCC имели наибольшую площадь поверхности, которая и обеспечивала большой тепловой поток. При пористостях среды ε=0,7 и ε=0,75 упаковки BCC и FCC показывают высокое значение перепадa давления. При пористостях среды ε=0,8 и ε=0,85наибольшее значение перепада давления соответствует упаковке ячеек FCC, а при пористостях ε=0,9 и ε=0,95 – упаковке BCC.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. При максимальном значении пористости ε=0,95 упаковка ячеек BCC обеспечивает большее значение теплового потока по сравнению со структурой FCC. Упаковка SC имеет наименьшие значения теплового потока при всех исследуемых пористостях. Также упаковке SC соответствуют наименьшие значения перепада давления и, в связи с этим, наиболее высокие значения показателя энергетической эффективности.

1. RydalinaN., AntonovaE., AkhmetovaI., etal. Analysis of the Efficiency of Using Heat Exchangers with Porous Inserts in Heat and Gas Supply Systems // Energies. 2020. Vol. 13, N22. pp. 1-13.

2. Kim J., Sibilli T., Ha M.Y., et al. Compound porous media model for simulation of flat top U-tube compact heat exchanger // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2019.Vol. 138. pp. 1029-1041.

3. Li Z., Ding Y., Liao Q., et al. An approach based on the porous media model for numerical simulation of 3D finned-tubes heat exchanger // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 173. pp. 1-12.

4. Jayan N., Bhatlu M., Sukanya K., et al. Heat transfer augmentation approach in double pipe heat exchanger // Journal of Critical Reviews. 2020. Vol. 7, N7. pp. 791-794.

5. Souayeh B., Hdhiri N. Mixed convective heat transfer and heat generation simulation in lid-driven enclosure filled with porous medium // International Journal of Modern Physics C. 2021. Vol. 32, N8. pp.2150106.

6. Rashidi S., Kashefi M. H., Kim K. C., et al. Potentials of porous materials for energy management in heat exchangers–A comprehensive review // Applied energy. 2019. Vol. 243. pp. 206-232.

7. Rashidi S., Hormozi F., Doranehgard M. H. Abilities of porous materials for energy saving in advanced thermal systems // Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2021. Vol. 143, N3. pp. 2437-2452.

8. Puchor T., Lenhard R., Malcho M., et al. Heat transfer distribution inside porous media as replacement for finned heat exchanger // AIP Conference Proceedings. – AIP Publishing LLC. 2019. Vol. 2118, N1. pp.1-8.

9. Zhao C. Y. Review on thermal transport in high porosity cellular metal foams with open cells // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012. Vol. 55, N13-14. pp. 3618-3632.

10. Yang H., Li Y., Ma B., et al. Review and a Theoretical Approach on Pressure Drop Correlations of Flow through Open-Cell Metal Foam // Materials. 2021. Vol. 14, N12. pp. 1-18.

11. August A., Nestler B. About the surface area to volume relations of open cell foams // Engineering Research Express. 2020. Vol. 2, N1. pp. 1-9.

12. Bose J. R., Manova S., Asirvatham L. G., et al. Comprehensive case study on heat transfer enhancement using micro pore metal foams: From solar collectors to thermo electric generator applications // Case Studies in Thermal Engineering. 2021. Vol. 27. pp. 101333.

13. Соловьева О.В., Яфизов Р.Р., Соловьев С.А. Определение эффективной длины пористой структуры при конвективном теплообмене // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2020. Т. 12. № 3(47). С. 113-122.

14. Соловьева О.В., Соловьев С.А., Талипова А.Р., и др. Исследование влияния пористости волокнистого материала на значение энергетической эффективности // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. № 1(53). С. 56-64.

15. Rydalina N., Stepanov O., Antonova E. The use of porous metals in the design of heat exchangers to increase the intensity of heat exchange // E3S Web of Conferences. EDP Sciences. 2020. Vol. 178. pp. 1-5.

16. Ahmed H. E., Fadhil O. T., Salih W. A. Heat transfer and fluid flow characteristics of tubular channel partially filled with grooved metal foams // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2019. Vol. 108. pp. 1-14.

17. Baragh S., Shokouhmand H., Ajarostaghi S. S. M., et al. An experimental investigation on forced convection heat transfer of single-phase flow in a channel with different arrangements of porous media // International Journal of Thermal Sciences. 2018. Vol. 134. pp. 370-379.

18. Baragh S., Shokouhmand H., Ajarostaghi S. S. M. Experiments on mist flow and heat transfer in a tube fitted with porous media // International Journal of Thermal Sciences. 2019. Vol. 137. pp. 388-398.

19. Nilpueng K., Asirvatham L. G., Dalkılıç A. S., et al. Heat transfer and fluid flow characteristics in a plate heat exchanger filled with copper foam // Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 56, N12. pp. 3261-3271.

20. Buonomo B., di Pasqua A., Manca O., et al. Evaluation of thermal and fluid dynamic performance parameters in aluminum foam compact heat exchangers // Applied Thermal Engineering. 2020. Vol. 176. pp. 1-14.

21. Liu X, Zhang S, Zhou Z, et al. Study on structure optimization of heat exchanger and evaluation index of heat transfer performance // Huagong Xuebao/CIESC Journal. 2020. Vol. 71, NS1. pp. 98-105.

22. Banhart J. Manufacture, characterisation and application of cellular metals and metal foams // Progress in materials science. 2001. Vol. 46, N6. pp. 559-632.

23. Hossain M. S., Shabani B. Air flow through confined metal foam passage: Experimental investigation and mathematical modelling //Experimental Thermal and Fluid Science. 2018. Vol. 99. pp. 13-25.

24. Бажан П.И., Каневец Г.Е., Селиверстов В.М. Справочник по теплообменным аппаратам. М.: Машиностроение, 1989. 200 с.