Αριθμητική διερεύνηση των πεδίων ροής και της μεταφοράς θερμότητας στη μικροκλίμακα των πορώδων υλικών

Abstract

In this dissertation, 3D numerical modelling of flow and heat transfer phenomena is performed in well defined geometrical structures that correspond to the pore scale of porous media. The research effort deals with the examination of two distinct porous media, whose microstructure determines their macroscopic behavior in terms of the efficiency of the energy application they belong to. The scope of the effort is the development of a numerical methodology which will allow for the in depth understanding of the thermo-fluid mechanics phenomena taking place in the interior of these media and that can be used as a tool for the design and optimization of porous media engaging flow energy devices. The materials and energy applications studied are: The flow through the Gas Diffusion Layer of Proton Exchange Membrane fuel cell, and the flow through high porosity metal foam, recently applied in heat exchanging applications. For the achievement of its goals the individual aspects studied in this work are: · Development of a numerical methodology for the 3-dimensional reconstruction of high porosity metal foams’ geometry at the pore scale (microscale). The numerical methodology developed is based in the combined use of open source code (Surface Evolver) and CAD-CAE packages. Its validation was achieved by comparing the geometrical and topological features of the numerical model with relevant measurements from international literature. · Development of a numerical methodology for the 3-dimensional reconstruction of carbon cloth geometry, which is part of the cathode electrode in PEM fuel cells. The methodology developed is based on the combined use of special textile representation software (WiseTex) and CAD-CAE packages. The recreation of the cloth’s geometry was combined with part of the fuel cell’s cathode geometry including the gas channel and membrane. This combination led to the final geometry examined herewith, whose dimensions and other relevant aspects needed were derived from literature sources. · Use of advanced fluid mechanics solver code, offered by the cooperating organization (GFS code, Fluid Research Co.). Iso-thermal flows were simulated numerically for high porosity metal foams for two different pore densities, as well as for part of a PEM fuel cell cathode. The fluid-mechanics flow solving was carried out considering the 3-dimensional microstructure of the foam and the cloth and the resulting macro-scale were validated by comparison with corresponding relevant experimental measurements. · Modification of the GFS code so as to solve conjugate heat transfer at the solid and fluid part of the material. Calculations were repeated considering conjugate heat transfer. Prediction of the efficiency of metal foams as extended heat transferring surfaces was performed and prediction of the condensation of humidity produced in the fuel cell GDL also took place. · The developed numerical approach as well as the know-how of the numerical representation of metal foam and cloth microstructure was exploited for the evaluation of novel configuration for a PEM fuel cell cathode. The particular arrangement examined involved a metal foam topology, replacing the channel system (serpentine), aiming at the optimization of the apparatus operation and the avoidance of condensation.

Στην παρούσα διατριβή επιχειρείται η απευθείας τρισδιάστατη μοντελοποίηση της τοπολογίας πορωδών υλικών που παρουσιάζουν συντεταγμένη δομή και γεωμετρία με σκοπό τη διερεύνηση φαινομένων ροής αέρα και της μετάδοσης θερμότητας στο εσωτερικό τους. Στην ερευνητική προσπάθεια που γίνεται στα πλαίσια του έργου, εξετάζονται δύο διαφορετικά υλικά των οποίων η μικροδομή καθορίζει την μακροσκοπική τους συμπεριφορά και κατ’ επέκταση την απόδοσή τους στην ενεργειακή εφαρμογή στην οποία είναι ενταγμένα. Στόχος είναι να αναπτυχθεί αριθμητική μεθοδολογία που θα επιτρέπει την καλύτερη κατανόηση των θερμορευστομηχανικών φαινομένων που λαμβάνουν χώρα εντός των υλικών και που θα μπορεί να αξιοποιείται ως αριθμητικό εργαλείο σχεδιασμού και βελτιστοποίησης. Οι περιπτώσεις υλικών και αντίστοιχων ενεργειακών εφαρμογών που εξετάζονται είναι : η ροή μέσα από το ηλεκτρόδιο διάχυσης αερίου ‘Gas Diffusion Layer’ (GDL) μιας κυψέλης καυσίμου PEM (Proton Exchange Membrane) και η ροή αέρα μέσα από μεταλλικούς αφρούς υψηλού πορώδους που συνήθως χρησιμοποιούνται σε εναλλάκτες θερμότητας. Για την επίτευξη των στόχων, τα επιμέρους ζητήματα που διαπραγματεύεται η εργασία είναι: · Ανάπτυξη αριθμητικής μεθοδολογίας για την τριδιάστατη αναπαράσταση της γεωμετρίας μεταλλικών αφρών υψηλού πορώδους, σε κλίμακα πόρου (μικροκλίμακα). Η αριθμητική μεθοδολογία που αναπτύχθηκε βασίζεται σε συνδυασμένη χρήση ανοικτού πηγαίου κώδικα (Surface Evolver) και κωδίκων CAD-CAE. Έγινε πιστοποίησή της, συγκρίνοντας τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του αριθμητικού προτύπου με αντίστοιχες μετρήσεις. · Ανάπτυξη αριθμητική μεθοδολογίας για την τριδιάστατη αναπαράσταση της γεωμετρίας υφάσματος ανθρακοϊνών, το οποίο αποτελεί μέρος του ηλεκτροδίου καθόδου σε κυψέλη καυσίμου τύπου PEM. Η μεθοδολογία βασίζεται σε συνδυασμένη χρήση εξειδικευμένου λογισμικού γεωμετρικής αναπαράστασης υφασμάτων (WiseTex) και κωδίκων CAD-CAE. Η κατασκευή του αριθμητικού προτύπου του υφάσματος συνοδεύτηκε από την κατασκευή της γεωμετρίας τμήματος της καθόδου της κυψέλης καυσίμου, συμπεριλαμβανομένου του καναλιού και της μεμβράνης. Ο συνδυασμός τους έδωσε την τελικά εξεταζόμενη γεωμετρία, της οποίας οι διαστάσεις και λοιπά στοιχεία προέκυψαν από βιβλιογραφικές πηγές. · Χρήση προηγμένου κώδικα υπολογιστικής ρευστομηχανικής, όπως παραχωρήθηκε από τον συνεργαζόμενο φορέα (κώδικα GFS, εταιρεία Fluid Research O.E.). Έγιναν αριθμητικές προσομοιώσεις ισόθερμων ροών σε μεταλλικούς αφρούς υψηλού πορώδους και για δύο διαφορετικές πυκνότητες, και σε τμήμα της καθόδου κυψέλης καυσίμου PEM. Η επίλυση των ρευστομηχανικών ροών έγινε λαμβάνοντας υπόψη την τριδιάστατη μικροδομή του υφάσματος και τα αποτελέσματα από τους υπολογισμούς μακροσκοπικών χαρακτηριστικών πιστοποιήθηκαν συγκρίνοντας με αντίστοιχες πειραματικές μετρήσεις. · Έγινε προσαρμογή του κώδικα GFS, ώστε να επιλύεται συζυγής μετάδοση θερμότητας εντός ρευστού και στερεού υλικού, και επαναλήφθηκαν οι υπολογισμοί για ροές με μετάδοση θερμότητας αξιολογώντας και την επίδραση της συζυγούς επίλυσης. Έγινε πρόλεξη της απόδοσης των μεταλλικών αφρών ως εκτεταμένες επιφάνειες μετάδοσης θερμότητας και πρόλεξη του φαινομένου της συμπύκνωσης παραγόμενης υγρασίας εντός του διαχύτη καθόδου της κυψέλης καυσίμου. · Αξιοποιήθηκε η αναπτυχθείσα αριθμητική προσέγγιση, καθώς και η τεχνογνωσία αριθμητικής αναπαράστασης της μικροδομής υφασμάτων και μεταλλικών αφρών, για την αξιολόγηση βιβλιογραφικά προτεινόμενης πρωτότυπης διάταξης για την κάθοδο κυψέλης καυσίμου PEM. Εξετάστηκε τροποποίηση της διάταξης που αφορούσε την χρήση μεταλλικού αφρού σε αντικατάσταση του συστήματος καναλιών (σερπαντίνα) με στόχο την βελτιστοποίηση της λειτουργίας και την αποφυγή συμπύκνωσης.