شبیه‌سازی تجربی وعددی انتقال کوپل حرارت و آب در محیط متخلخل خاک

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری آبیاری و زهکشی دانشگاه تبریز

2 استاد گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز

3 استادیار گروه مهندسی آب، دانشگاه تبریز

چکیده

علم انتقال حرارت یکی از مهم‌ترین و پرکاربردترین علوم مهندسی است. محیط متخلخل به خاطر ساختار خود، سطح انتقال حرارت بزرگی را در یک حجم مشخص فراهم می‌کند ازاین‌رو بررسی انتقال حرارت در محیط متخلخل خاک به خاطر اهمیت در لایه‌های زیرین خاک و جذب آب و ریشه در سال‌های اخیر مورد توجه قرارگرفته است. در این مطالعه، انتقال کوپل حرارت و آب در محیط متخلخل خاک که انتقال حرارت به طریق همرفت با استفاده از ترموگراف (IRT) و در شرایط آزمایشگاهی بررسی‌شد، آزمایش‌ها در مدل فیزیکی ساخته‌شده در گروه فنی و مهندسی دانشگاه شهر پادوا5 در کشور ایتالیا انجام‌گرفت. آنالیز عددی بر اساس تفاضلات محدود و معادله انتقال حرارت در محیط متخلخل و با استفاده از مدل کومسول صورت گرفت. اندازه‌گیری درجه حرارت در محیط متخلخل اشباع‌شده از شن با استفاده از ترموکوپل و در نقاط تعیین‌شده محیط و در کوپل­های مختلف حرارت و دبی جریان آب (q1,q2,T1,T2,T3,T4,T5) انجام شد. مقایسه نتایج تجربی و عددی نشان می‌دهد که مدل کامسول با دقت زیادی انتقال کوپل حرارت و آب و نیز پخشیدگی سطحی حرارت را در محیط متخلل خاک شبیه‌سازی می‌کند. در انتقال کوپل حرارت و آب در محیط متخلخل در مقدار جریان آب بیش­تر، زمان کم­تری برای رسیدن به حالت پایدار سپری می‌شود. نتایج تجربی نشان داد که در انتقال کوپل حرارت و آب، دیفیوژن طولی پروفیل حرارت در محیط متخلخل با افزایش حرارت بیش­تر خواهد شد. هرچه مقدار دبی جریان آب بیش­تر باشد دیفیوژن طولی پروفیل حرارت در طول محیط نیز کم­تر خواهد بود (دیفیوژن طولی پروفیل حرارت کوپل q2T4 بیش­تر از کوپل q1T4نشان داده شد). هرچه درجه حرارت بیش­تر شود زمان توسعه‌یافتگی پروفیل حرارت و رسیدن به حالت پایدار در محیط متخلخل افزایش می‌یابد. با ثابت ماندن مقدار جریان و افزایش دما، زمان توسعه‌یافتگی پروفیل حرارت برای رسیدن به حالت پایدار در طول محیط متخلخل و در فواصل طولی تعیین‌شده کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation Numerical and Experimental Coupled Transfer Heat and Water in Porous Media Soil

نویسندگان [English]

  • Ali Asghar Mirzaiee 1
  • Amir Hosein Nazemi 2
  • Seyed Ali Ashraf Ashraf Sadrdini 2
  • Reza Dalir Hasanniya 3
1 Phd student Irrigation and Drainage Department of Water Engineering University of tabriz
2 Professor, Department of Water Engineering University of Tabriz
3 Assistant Professor, Department of Water Engineering University of Tabriz
چکیده [English]

Science of heat transfer is one of the most and widely used engineering sciences. porous media Because of their structure provides large heat transfer surface in a given volume Therefore  study heat transfer in porous media soil have been considered because of the importance of the underlying soil and bsorb water and roots in recent years. In this study is surveyed coupled transfer heat and water in porous media soil that heat transfer by convection using Thermography (IRT) and is laboratory conditions. Experiment is conducted in the physical model made in the ofdepartment Engineering and Technology University of City padva in Italy (for the sabbatical). Numerical analysis based on the finite difference and  equation heat transfer in porous media and Using Comsol model. measurement Temperature Done in porous media saturated sand using thermocouples and at designated points and at coupling of different temperature and water flow rate (q1, q2, T1, T2, T3, T4, T5) Compare experimental and numerical results show that the Comsol model  simulates with great accuracy coupled transfer heat and water Also surface heat diffusion in porous media soil. In Coupled transfer heat and water in porous media at flow further, is spent less time to achieve steady state. Experimental results showed that in coupled transfer heat and water, longitudinal profiles heat will be increased With higher temperatures in porous media. Higher the value, the greater the flow rate of water will be less diffusion longitudinal profiles heat(diffusion longitudinal profiles heat coupled q2T4 shown greater than coupled q1T4). As the temperature increases development time and achieve a steady state temperature profiles increases in porous media. With the constant flow and rise of temperature decline time development to reach steady state temperature profiles in the length and longitudinal distances determined porous Media.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Comsol model
  • convection
  • Coupled transfer heat and water
  • heat transfer
  • Porous media
چالکش امیری،م.، رحیمی،ا. 1387. مفاهیم انتقال حرارت، چاپ دوم، انتشارت ارکان دانش

خشنودی،م.، باغبان،ح. 1381. اصول و کاربرد انتقال حرارت، چاپ هفتم، انتشارات دانشگاه فردوسی مشهد

کیهانی.م.ح.، محبی،ر. 1392. فصل­نامه مکانیک هوافضا (انتقال حرارت و پیش­رانش). 9. 1: 63 – 76.

نظری.م.، محبی،ر و کیهانی،م.ح. 1392. مکانیک سازه‌ها و شارها. 1: 119-105.

نظری،م.، جلالی وحید،د.، خانجانی.س. 1394. مجله مهندسی مکانیک مدرس. 15.1:-216 203

Ercan,M. 2009. Multiphysics Topology Optimization of Heat Transfer and Fluid Flow SystemsExcerpt from the Proceedings of the COMSOL Conference Boston

Jahanshai Javaran,E., Gandjalikhan Nassab,S.A., Jafari,S. 2010 Thermal analysis of a 2-D heat recovery system using porous media including lattice Boltzmann simulation of fluid flow. Internation Journal Thermal  Science. 49.6: 1031–1041

Meng,X,Z and Sun,X. 2013. Single-phase convection heat transfer characteristics of pebble-bed channels with internal heat generation, Nuclear Engineering and Design.252:.121- 127.

Organ,A.E. 1952. The Physics of Flow Through Porous Media” Principles of Heat Transfer in Porous Media, Springer. 51.11:. 2211-5526.

QiLi,N., Kazumasa,I., Zhishen,W., Christopher,S., Steven,P. 2009. Loheide IICOMSOL Multiphysics: A Novel Approach to Ground Water Modeling. ISI Journal Groundwater. 47. 4: 480-487

Patankar,S.V. 1980. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere Publishing Corporation, Washington

Salvia,D., Boldora,B., Aitab,G.M., Sabliova,C.M.  2011.COMSOL Multiphysics model for continuous flow microwave heating of liquids. Journal of Food Engineering. 104.3:422-429.

Shokouhmand,H., Jam,F., Salimpour,M.R. 2009. Simulation of Laminar Flow and Convective Heat Transfer in Conduits Filled With Porous Media Using Lattice Boltzmann Method”, In. J Communications in Heat and Mass Transfer. 36. 4: 378-384.

Tarikua,F., Kumar,K., Fazioc,P.  2010. Transient model for coupled heat, air and moisture transfer through multilayered porous media. International Journal of Heat and Mass Transfer. 53.15-16:3035-3044.