Προσομοίωση αγωγής θερμότητας σε νανορευστά και πορώδη μέσα με απλεγματικές τεχνικές

Abstract

Many theoretical and experimental studies have shown that the addition of nanoparticles into conventional fluids may generate nanofluids with significantly improved heat transfer properties. Despite the plethora of studies, the mechanisms responsible for the increase of conductivity in nanofluids and their rheological behaviour remain an active research area. At the same time, the study of transport phenomena in complex geometries of porous materials and aggregates is computationally difficult and time consuming. In this work, an innovative numerical method is developed based on meshless techniques, as well as algorithms for the automation of the process of solving heat transfer problems. The model predictions for temperature distribution and effective conductivity are verified by test case problems, other numerical techniques, and experimental data from the literature. A model is developed to describe the natural convection of nanofluids in porous structures, using micropolar flow theory, along with a solution algorithm. It is observed that the addition of nanoparticles reduces the heat transfer under certain conditions. The microstructure of nanofluids and the use of additives to stabilise them seem to be critical factors for the thermal conductivity of nanofluids. A fast and computationally simple technique is developed, for the simulation of aggregate formation with predetermined morphological characteristics in the presence of surfactants. Nanofluids are simulated and the effective thermal conductivity is calculated. Comparisons with experimental data are in good agreement, and it is concluded that the prediction of nanofluid conductivity requires knowledge of the type and amount of surfactant added.

Πολλές πειραματικές και θεωρητικές μελέτες έχουν δείξει ότι η προσθήκη νανοσωματιδίων σε συμβατικά ρευστά μπορεί να δημιουργήσει νανορευστά με σημαντικά βελτιωμένες ιδιότητες μεταφοράς θερμότητας. Παρά την πληθώρα μελετών, οι μηχανισμοί αύξησης της αγωγιμότητας στα νανορευστά και η ρεολογική τους συμπεριφορά παραμένει ένας ενεργός τομέας έρευνας. Παράλληλα η μελέτη φαινομένων μεταφοράς σε περίπλοκες γεωμετρίες πορωδών υλικών και συσσωματωμάτων είναι υπολογιστικά δύσκολη και χρονοβόρα. Σε αυτήν την εργασία αναπτύσσεται μια καινοτόμος αριθμητική μέθοδος με βάση τις απλεγματικές τεχνικές, καθώς και αλγόριθμοι για την αυτοματοποίηση της διαδικασίας επίλυσης προβλημάτων αγωγής θερμότητας. Οι προβλέψεις του μοντέλου για την θερμοκρασιακή κατανομή και την ισοδύναμη αγωγιμότητα επαληθεύονται με προβλήματα αναφοράς, άλλες αριθμητικές τεχνικές, και πειραματικά δεδομένα από τη βιβλιογραφία. Χρησιμοποιώντας τη μικροπολική θεωρία αναπτύσσεται ένα μοντέλο για την περιγραφή της φυσικής συναγωγής νανορευστών σε πορώδεις δομές, όπως και ένας αλγόριθμος επίλυσης. Παρατηρείται ότι η προσθήκη νανοσωματιδίων μειώνει την μεταφοράς θερμότητας υπό συγκεκριμένες συνθήκες. Η μικροδομή των νανορευστών και η χρήση πρόσθετων ουσιών για την σταθεροποίησή τους φαίνεται να είναι κρίσιμοι παράγοντες για την θερμική αγωγιμότητα των νανορευστών. Αναπτύσσεται μία τεχνική, γρήγορη και εύκολη στην εφαρμογή, με σκοπό την στοχαστική αναπαράσταση συσσωματωμάτων σωματιδίων με προκαθορισμένα μορφολογικά χαρακτηριστικά παρουσία επιφανειοδραστικών ουσιών. Προσομοιώνονται νανορευστά και υπολογίζεται η ισοδύναμη θερμική αγωγιμότητα. Οι συγκρίσεις με πειραματικά δεδομένα είναι σε ικανοποιητική συμφωνία, και συμπεραίνεται ότι για την πρόβλεψη της αγωγιμότητας στα νανορευστά απαιτείται η γνώση του τύπου και της ποσότητας του επιφανειοδραστικού που προστίθεται.