بررسي عددي تاثيرات جابجايي طبيعي در فرآيند ذوب و انجماد PCM داخل يك مخزن مستطيلي پره دار به كمك LBM

Numerical investigation of natural convection effects on the melting and solidification of PCM within a rectangular finned container using LBM

استفاده از مواد تغيير فاز دهنده به منظور افزايش ظرفيت ذخيره/آزاد سازي انرژي، موضوع مورد مطالعه بسياري از تحقيقات نوين در زمينه مديريت عرضه انرژي است. مطالعه چنين سيستم هايي مستقيما با مسئله تغيير فاز جامد-مايع در ارتباط است، به طوريكه محاسبه توزيع دما، موقعيت جبهه تغيير فاز و كسر ماده جامد يا مايع شده به موضوع اساسي در اين مسائل تبديل مي شود. بررسي فرآيند انجماد و ذوب با در نظر گرفتن پديده انتقال گرماي جابجايي آزاد در فاز مايع، هدف اصلي مقاله حاضر است. بدين منظور يك مخزن مستطيلي پرده دار حاوي ماده تغيير فاز دهنده، در نظر گرفته شده است. وجود پره به منظور افزايش آهنگ انتقال گرما در نظر گرفته شده است. غوطه ور شدن فاز جامد داخل فاز مايع لزوم در نظر گرفتن شرط مرزي شناوري را روي مرز فاز جامد سبب مي شود. از اين رو فرآيند ذوب با در نظر گرفتن اثرات جابجايي طبيعي و حركت فاز جامد داخل فاز مايع مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنين اثرات جابجايي طبيعي در فرآيند انجماد نيز مطالعه شده است. با اين تفاوت كه در فرآيند انجماد نيازي به اعمال شرط مرزي شناوري وجود ندارد. روش عددي مورد استفاده روش بولتزمن شبكه اي بوده و نتايج بر اساس اعداد بي بعد گزارش شده است. بر اساس نتايج بدست آمده، اثرات جابجايي طبيعي در فرآيند انجماد قابل صرف نظر است، در حالي كه در نظر گرفتن اثرات جابجايي طبيعي تغيير چشم گيري در مدت زمان مورد نياز براي ذوب كامل ماده تغيير فاز دهنده ايجاد مي كند.

The use of phase change material to enhance the capacity of energy storage/ release is the subject of many new researches on the management of energy supply. Study of these systems is directly related to the solid-liquid phase-change problem, in which the evaluation of temperature distribution, position of phase-change front and liquid or solid fraction becomes a basic problem. Study of freezing and melting process with regard to natural convection in the liquid phase is the main purpose of the present paper. For this purpose, a rectangular finned container of phase change material is intended. Fins are used to enhance the heat transfer rate. This fact necessitates the use of immersed boundary condition on the solid phase. Hence, the melting process considering both the effects of natural convection and movement of solid phase is studied. The freezing process is also studied taking into account the natural convection with no need to impose the immersed boundary condition. Lattice Boltzmann method is used as a numerical method and results are reported based on the dimensionless parameters. Based on the results, the effects of natural convection are negligible during freezing process, while imposing the effects of natural convection provides a significant change in the required time for complete melting of the phase change material