مطالعه افزايش ضريب انتقال حرارت در محيط متخلخل با استفاده از نانوذرات رسانا از راه شبيه‏سازي CFD

numerical investigation of thermal conductivty enhancement in porous medium treated with high conductive nanoparticles.

برای استفاده از نانوفناوری در ازدیاد برداشت حرارتی برای افزایش راندمان انتقال حرارت، در این تحقیق افزایش ضریب انتقال حرارت با استفاده از نانوفناوری بررسی شده است. در بخش آزمایشگاهی این تحقیق، ابتدا با افزودن نانوذره اكسید مس(به‏عنوان یكی از متداول‏ترین نانوذرات استفاده‏شده در این زمینه) به سیال پایه‏آبی، نانوسیالی پایدار و یك‏نواخت برای استفاده از خواص حرارتی بالای آن تهیه و سپس به درون مغزه تزریق شد. نتایج به‏دست‏آمده پس از تزریق نانوسیال با غلظت 01/0 مولار بیانگر افزایش قابل‏توجه ضریب هدایت حرارتی نسبت به سنگ خشك‏اند(25%) در حالی كه آب مقطر تنها 6% ضریب انتقال حرارت را بهتر كرد. در بخش مدل‏سازی این كار تحقیقاتی، با استفاده از ساختار واقعی سنگ به بررسی عددی انتقال حرارت در این نمونه پرداخته شد. برای این منظور دو تصویر از دو مقطع مغزه آزمایش‏شده تهیه شد و از پردازش آنها دو مدل واقعی به دست آمدند كه با اعمال شرایط اولیه و شرایط مرزی موجود، نتایج حاصل از شبیه‏سازی عددی با روش اجزای محدود افزایش ضریب هدایت حرارتی موثر تحت‏تاثیر نانوذرات رسانا را تایید كردند. نتایج شبیه‏سازی پس از تزریق نانوسیال با استفاده از مدل‌های شماره یك و شماره دو بیانگر افزایش 14 و 8% ضریب هدایت حرارتی نسبت به سنگ خشك‏ و در نتیجه افزایش بازده انتقال حرارت‏اند. نتایج حاصل از این تحقیق نشان دادند كه روش دینامیك سیالات محاسباتی را می‌توان به‏عنوان یك روش قابل‏اعتماد در حل این مسئله به كار برد.  

It’s possible to couple the EOR and nanotechnology to utilize the efficiency of both methods. This study is conducted in two steps, (1) experimental and (2) simulation. In the first stage of experimental section, a stable and uniform water-based solution of nano-sized particles of copper oxide with different concentrations (0.01 to 0.05 M) were prepared and then injected into the core samples. Then using a homemade apparatus, thermal conductivity of cores at different cases include dry core, water saturated, nano saturated and dried after one week was measured. The experimental results showed %25 and 6% enhancement of thermal conductivity of nano saturated and water saturated core, respectively relative to the dry core thermal conductivity. In the simulation section, the modeling domain was constructed with realistic morphology to represent cores’ structure.  Structural details of cores are obtained by image processing of two captured images from thin sections of cores. The experimental data have been used and validations have been performed by comparing temperature difference variation along to the core for different cases. The simulation approach has been  performed by solving heat transfer equations with a commercial finite element package (COMSOL™). The Simulation results of two used models show that the thermal conductivity of nano saturated models have 14% and 8% enhancement, respectively. The obtained results are consistent with experimental data and simulate the improvement of ETC after nanofluid injection. The present study demonstrates that computational fluid dynamics can be a reliable approach to confirm empirical data.