بررسي عددي پديده اثر پيستوني سيال فوق بحراني در محيط ميكروگرانش با استفاده از روش شبكه بولتزمن

Numerical Investigation of the Piston Effect of Supercritical Fluid under Microgravity Conditions Using Lattice Boltzmann Method

در اين پژوهش، به معرفي يك مدل شبكه بولتزمن به منظور شبيه‌سازي پديده اثر پيستوني، كه اصلي‌ترين مكانيزم‌ انتقال حرارت سيال فوق بحراني در محيط ميكرو گرانش مي‌باشد، پرداخته شده است. تغيير ضريب پخش در روش شبكه بولتزمن حرارتي با اضافه شدن يك ترم به تابع توزيع تعادلي مدل‌سازي گرديد. جهت محاسبه نيروي بين مولكولي و ايجاد مدل تراكم پذير شبكه بولتزمن، از رابطه حاكم بر سيال واندروالس استفاده شد. هم‌چنين جهت حذف پرش سرعت بر روي ديواره، روابط شرط مرزيِ منطبق با شبكه بولتزمن تراكم‌پذير در حضور نيروي واندروالس ايجاد گرديد. نشان داده شد كه اين شرط مرزي دقت بالايي در شبيه‌سازي مسايل نيرو محور دارد و دقت مرتبه دوم نسبت به مكان را دارا مي‌باشد. نهايتا مدل توسعه يافته شبكه بولتزمن حرارتي به همراه مدل شبكه بولتزمن تراكم‌پذير جهت شبيه‌سازي انتقال حرارت جريان سيال فوق بحراني به كار گرفته شده است. پديده اثر پيستوني با در نظر گرفتن مدل نيروي بين مولكولي واندورالس شبيه‌سازي گرديد. نتايج حاكي از آن است كه طرح‌‌هاي گوناگون شبيه‌سازِ نيرو، خطاهاي متفاوتي را در شبيه‌سازي جريان سيال تراكم‌پذير فوق بحراني دارند. قياسي بين هدايت خالص و انتقال حرارت به واسطه پديده اثر پيستوني صورت گرفت و نشان داده شد كه انتقال حرارت به واسطه پديده اثر پيستوني سريعتر از هدايت خالص است.

Piston effect is an important mechanism of heat transfer in a supercritical fluid flow under microgravity condition. In this study, a Lattice Boltzmann Model (LBM) has been introduced to simulate the piston effect. Variation of diffusion coefficient has been accounted for by adding a corresponding term to equilibrium distribution function. To calculate the intermolecular forces and compressibility in the LBM, a van der Waals equation of state has been employed. Boundary conditions corresponding to compressible LBM in the presence of van der Waals forces have been set to eliminate the speed jump at the wall. It has been shown that such boundary conditions provide high accuracy in problems involving forces with an error of second order of magnitude in terms of space. The developed thermal LBM together with compressible LBM have been applied to simulate the heat transfer to supercritical fluid flows. The piston effect has been modeled by considering van der Waals inter molecular forces. The errors associated with each of the schemes used have been evaluated. A comparison between a pure conduction case and heat transfer due to piston effect has been made. It has been shown that the heat transfer occurs faster once the piston effect is in operation.