شبیه سازی انتقال حرارت در یک محیط متخلخل بسته در نرم افزار تحلیل سیالات فلوئنت

مطالعه جریان سیال در محیط­های متخلخل یکی از پرکاربردترین زمینه ­های علوم است. شاید ملموس ­ترین مثال یک محیط متخلخل بافت­ های مختلف بدن باشد. پوست، استخوان، کلیه و ریه را می­توان محیط متخلخل در نظر گرفت. موضوع اصلی رشته ­های زمین­شناسی، خاک­شناسی، مهندسی آب، مهندسی مخازن نفت و گاز نیز مطالعه پدیده­های انتقال مختلف در محیط­های متخلخل است. این محیط­ ها  همچنین کاربردهای گسترده­ای در صنایع متنوعی همچون مواد غذایی، چوب، نساجی، مصالح ساختمانی، عایق­ها، فیلترها و غشاها دارند.

اولین منبعی که از محیط­های متخلخل در اختیار است مربوط به آقای راینهارد ولتمن است که این محیط­ ها را مطرح کرد و سپس دارسی معادله اولیه و ابتدایی برای جریان آرام در رینولدز­های پایین را برای این محیط­ها پیشنهاد نمود. محیط­های متخلخل بررسی شده توسط این محققان عمدتا محیط­های باز بودند به ­طوری­که سیال قادر به جریان از یک سمت و عبور به­ سمت دیگر بود. محیط­های متخلخل بسته همچنین به ­دلیل کاربردهای خاص به­ عنوان عایق انتقال حرارت توسط بسیاری از محققان مورد بررسی قرار گرفتند. این تحقیقات توجه زیادی در سال­های اخیر به ­دلیل کاهش روزافزون منابع انرژی و ضرورت بهینه مصرف انرژی یافته است. کاهش مصرف انرژی با استفاده از عایق­های حرارتی متخلخل سبب کاهش قابل توجهی در انتقال حرارت به­دلیل ضریب انتقال حرارت بسیار پایین هوا می­شود. استفاده از چنین عایق­هایی به­ منظور جلوگیری از اتلاف انرژی در واحدهایی با بیشترین اختلاف دمای محیط در دو سمت همانند کوره­های واحد الفین پتروشیمی که دمای درون محفظه احتراق آن با محیط بیرون حدود ^oC 1100 اختلاف دارد بسیار حائز اهمیت است. کوره­  های واحد الفین یک نوع راکتور شکست مولکولی توسط بخار هستند. واکنش انجام شونده در این کوره بسیار گرماگیر است و دما را در محیط تشعشعی کوره تا ۹۰% جذب می­کند که این امر نیازمند عایق مناسب برای دیواره­ها به­منظور جلوگیری از اتلاف انرژی و بهبود کارایی فرایند می­باشد. از این رو شناخت دقیق مساله جهت کاستن هزینه­ها در هنگام طراحی و توسعه طراحی سامانه عایقی کارامد و مطالعه عمیق ­تر برروی این گونه محیط­ ها نیازمند ارائه یک مدل دقیق از انتقال حرارت در محیط ­های متخلخل است. رسیدن به مدلی با مکانیزمی دقیق که قادر باشد تمامی فاکتورهای مهم را در برگیرد کاری مشکل و نیاز به شناخت دقیق مساله دارد. تاکنون اکثر مدل­های ریاضی با فرض­های ساده کننده همانند عدم لحاظ شکل و توزیع حفره­ها توسعه یافته­اند. در این تحقیق دست­یابی به یک مدل جامع ریاضی از این نوع محیط­ ها با تحلیل ریاضی و تایید مدل با استفاده از نرم افزارهای شبیه­ سازی توصیف­ کننده انتقال حرارت از چنین محیط­ ها مورد بررسی قرار گرفته است.