تجزيه و تحليل رژيم جرياني- حرارتي با مدل توسعه يافته برينكمن درون كويل متخلخل با شار حرارتي متوسط خورشيدي

Analysis of the Fluid-Thermal Regime with the Developed Brinkman Model in a Porous Coil for Solar Energy Application

در اين مقاله به بررسي تاثيرات پارامترهاي جرياني- حرارتي بر جريان درون كويل متخلخل پرداخته شده است. همچنين بررسي ماهيت لايه مرزي، توزيع سرعت، فشار و اثرات توزيع ميدان حرارتي درون كويل متخلخل به عنوان محيطي با قابليت انتقال حرارت بالا انجام شده كه اين بررسي شامل استفاده از روش برينكمن توسعه يافته براي حركت سيال و قانون تواني براي محاسبه ضريب انتقال حرارت هدايتي محيط با درنظرگرفتن شار حرارتي متوسط خورشيدي در مقادير مختلف درصد تخلخل و نفوذپذيري است. براي حل مساله از نرم افزار كامسول بر مبناي روش المان محدود و الگوريتم حلي محيط متخلخل در حلگر MUMPS استفاده شده است. تغييرات دماي بي بعد بين نتايج به دست آمده در مدل حاضر و نتايج آزمايشگاهي با يكديگر در شرايط مشابه مقايسه شده اند كه اين مقايسه تطابق قابل قبولي بين نتايج با حداكثر خطاي 3% را نشان مي دهد. در مقدار نفوذپذيري ثابت با كاهش ضريب تخلخل، پروفيل سرعت به دليل كاهش وجود خلل و فرج درون كويل كشيده تر مي شود به طوري كه جريان در كويل متخلخل شتاب گرفته و حداكثر مقدار سرعت پروفيل در ضريب تخلخل برابر با 0/2 و 2/5متر بر ثانيه است. در متخلخل شدن كويل مقدار عدد ناسلت افزايش يافته به طوري كه بيشترين اختلاف بين دو حالت متخلخل و بدون تخلخل در ابتداي كويل و برابر با 32% و كمترين مقدار اين اختلاف 27% است. در داخل كويل متخلخل جذب انرژي خورشيدي بيشتر و در نتيجه مقدار انتقال حرارت بهبود مي يابد. اگر چه مقدار افت فشار نيز افزايش مي يابد.

In this paper, heat transfer and fluid flow characteristics in a porous coil have been investigated. The characteristic of the boundary layer, distribution of velocity, pressure, and thermal field effects into a porous coil as high heat transfer resource have been analyzed. The developed Brinkman method in fluid flow and power law model of conduction heat transfer coefficient considering porosity and permeability factor is calculated for constant solar heat flux. In order to solve the problem, the COMSOL software based on finite element method with porous medium algorithm is used, using the MUMPS solver. The comparison between variation of normalized temperature at the presented model and experimental data at similar conditions shows an acceptable agreement with an error up to 3%. At constant permeability, decreasing the porosity coefficient, velocity profile is extended due to presence of pores into coil with an accelerated flow, so that the maximum velocity is equal to 2.5m/s at porosity coefficient of 0.2. In porous coil, Nusselt number increased, where the greatest difference between porous and the nonporous coil occurs at the beginning of the coil, with a value of 32%, and the smallest difference is 27%. In the porous coil, absorbing solar energy is higher and the heat transfer is improved. However, the amount of pressure drop also increases.