مهندسی متالورژی

مهندسی متالورژی

مدلسازی جریان سیال در کاتالیزورهای متخلخل پایه آلومینیومی با استفاده از شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی و روش رگرسیون خطی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محمدعلی احمدزاده 1
آزاده جعفری زاده 2
مسعود پنجه پور 3
1 مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
2 دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران.
3 گروه آموزشی فرایند و فراوری، دانشکده مهندسی مواد، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
10.22076/me.2024.2027105.1402
چکیده
خواص منحصر به فرد فوم های فلزی سبب استفاده روز افزون این ساختارها در کاربردهای صنعتی نظیر کاتالیزورها شده

است. به منظور طراحی دقیق سیستمهای مهندسی و کاتالیزورهایی با بازده با لا، بررسی رفتار جریان سیال امری ضروری است .

لذا هدف از این مطالعه، بررسی تأثیر پارامترهای هندسی مختلف محیط متخلخل بر جریان سیال و ارائه یک مدل رگرسیون

خطی برای پیشبینی ضرایب معادله فوریچمر ) 2vβv + αP/L = Δ( با استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی) CFD ) و روش

آماری رگرسیون خطی است. بدین منظور در مرحله اول فوم هایی براساس هندسه واقعی و با قطر و درصد تخلخل های مختلف

به روش تجمع Voronoi ساخته و مش بندی شد . سپس با استفاده از شبیه سازی CFD به بررسی تاثیر پارامترهای ساختاری

فوم بر جریان سیال پرداخته شد. نتایج حاصل نشان داد که ضرایب معادله فوریچمر و مقادیرگردایان فشار به صورت قابل توجهی به پارامترهای هندسی فوم بستگ ی دارند. در مرحله دوم، به دلیل پیچیدگیهای ساختاری فوم و حجم بالای شبکه محاسباتی در این روش، از مدلهای رگرسیون خطی برای ارائه یک مدل پیوسته بر حسب خواص ساختاری فوم به منظور مدلسازی ضرایب معادله فوریچمر استفاده شد. نتا ی ج حاصل شده نشان داد که مدل ساخته شده در پیشبینی ضرایب معادله فوریچمر بر حسب پارامترهای هندسی فومها دقت بالایی دارد. همچنین نتایج بهدستآمده از مدل های رگرسیون خطی نشان داد که رویکرد

پیشنهادی یک روش موثر برای مطالعه و پی شبینی جریان سیال در کاتالیزورهای متخلخل در مقیاس بزرگ با حداقل خطا

است.
کلیدواژه‌ها
کاتالیزور
شیبه سازی
جریان سیال
CFD
مدل‌ رگرسیون خطی

عنوان مقاله English

Modeling of fluid flow in porous catalysts base aluminum with simulated using computational fluid dynamics and linear regression methods

نویسندگان English

MohammadAli Ahmadzadeh 1
Azadeh Jafarizadeh 2
Masoud Panjepour 3
1 Department of Materials Engineering, Isfahan university of technology, Isfahan, Iran.
2 Department of Materials Engineering, Isfahan university of technology, Isfahan, Iran.
3 Material processing and fabriction group, Isfahan University of Technology (IUT).Isfahan . Iran
چکیده English

The unique properties of metal foams have led to the increasing use of these structures in industrial applications such as catalysts. To accurately design engineering systems and high-efficiency catalysts, it is necessary to study the fluid flow behavior. Therefore, this study aimed to investigate the effect of different geometric parameters of the porous medium on fluid flow and to present a linear regression model for predicting Forichmer equation coefficients (ΔP / L = αv + βv2) using computational fluid dynamics (CFD) and linear regression statistical method. For this purpose, in the first stage, foams based on real geometry and with different pores diameter and porosities were made by the Voronoi method. Then, using CFD simulation, the effect of foam structural parameters on fluid flow was investigated. The results indicated that the coefficients of the Forichmer equation and the pressure drop significantly depend on the geometrical parameters of the foam. In the second stage, due to the structural complexity of the foam and the high volume of the computational cost in this method, linear regression models were used to provide a continuous model based on the structural properties of the foam to model the coefficients of the Forichmer equation. The results demonstrated that the model is very accurate in predicting the coefficients of the Forichmer equation in terms of the geometric parameters of the foams. Also, the results obtained from linear regression models demonstrated that the proposed approach effectively predicts fluid flow in large-scale porous catalysts with minimal error.

کلیدواژه‌ها English

Catalyst
Simulation
Fluid flow
CFD
Linear regression model
[1]          S. Dabbaghi, A. Jafarizade, M. Panjepour, and M. Meratian, "NUMERICAL SIMULATION OF FLUID FLOW THROUGH METALLIC FOAMS: A GENERAL CORRELATION FOR DIFFERENT LENGTH SIZES AND PORE CHARACTERISTICS," Special Topics & Reviews in Porous Media: An International Journal, vol. 12, no. 1, 2021.
[2]        A. Jafarizade, M. Panjepour, M. Meratian, and M. D. Emami, "Numerical simulation of gas/solid heat transfer in metallic foams: A general correlation for different porosities and pore sizes," Transport in porous media, vol. 127, no. 2, pp. 481-506, 2019.
[3]        M. Pahlevaninezhad, M. D. Emami, and M. Panjepour, "The effects of kinetic parameters on combustion characteristics in a sintering bed," Energy, vol. 73, pp. 160-176, 2014.
[4]        Z. Wu et al., "Experimental and numerical studies of the pressure drop in ceramic foams for volumetric solar receiver applications," Applied Energy, vol. 87, no. 2, pp. 504-513, 2010.
[5]        J. Richardson, M. Garrait, and J.-K. Hung, "Carbon dioxide reforming with Rh and Pt–Re catalysts dispersed on ceramic foam supports," Applied Catalysis A: General, vol. 255, no. 1, pp. 69-82, 2003.
[6]        M. Zafari, M. Panjepour, M. D. Emami, and M. Meratian, "Microtomography-based numerical simulation of fluid flow and heat transfer in open cell metal foams," Applied Thermal Engineering, vol. 80, pp. 347-354, 2015.
[7]        M. Zafari, M. Panjepour, M. Meratian, and M. D. Emami, "CFD simulation of forced convective heat transfer by tetrakaidecahedron model in metal foams," Journal of Porous Media, vol. 19, no. 1, 2016.
[8]        S. Ergun, "Fluid flow through packed columns," Chem. Eng. Prog., vol. 48, pp. 89-94, 1952.
[9]        S. Weisberg, Applied linear regression. John Wiley & Sons, 2005.
[10]      L. Yang, M. Bibby, and R. Chandel, "Linear regression equations for modeling the submerged-arc welding process," Journal of Materials Processing Technology, vol. 39, no. 1-2, pp. 33-42, 1993.
[11]      K. J. Preacher, P. J. Curran, and D. J. Bauer, "Computational tools for probing interactions in multiple linear regression, multilevel modeling, and latent curve analysis," Journal of educational and behavioral statistics, vol. 31, no. 4, pp. 437-448, 2006.
[12]      E. R. Edelman, S. M. van Kuijk, A. E. Hamaekers, M. J. de Korte, G. G. van Merode, and W. F. Buhre, "Improving the prediction of total surgical procedure time using linear regression modeling," Frontiers in medicine, vol. 4, p. 85, 2017.
[13]      D. A. Freedman, Statistical models: theory and practice. cambridge university press, 2009.
[14]      T. Crestaux, O. Le Maıtre, and J.-M. Martinez, "Polynomial chaos expansion for sensitivity analysis," Reliability Engineering & System Safety, vol. 94, no. 7, pp. 1161-1172, 2009.
[15]      K. K. Bodla, J. Y. Murthy, and S. V. Garimella, "Microtomography-based simulation of transport through open-cell metal foams," Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, vol. 58, no. 7, pp. 527-544, 2010.
[16]      K. Boomsma, D. Poulikakos, and Y. Ventikos, "Simulations of flow through open cell metal foams using an idealized periodic cell structure," International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 24, no. 6, pp. 825-834, 2003.
[17]      M. Lacroix, P. Nguyen, D. Schweich, C. P. Huu, S. Savin-Poncet, and D. Edouard, "Pressure drop measurements and modeling on SiC foams," Chemical engineering science, vol. 62, no. 12, pp. 3259-3267, 2007.
[18]      P. Du Plessis, A. Montillet, J. Comiti, and J. Legrand, "Pressure drop prediction for flow through high porosity metallic foams," Chemical Engineering Science, vol. 49, no. 21, pp. 3545-3553, 1994.
[19]      P. Khayargoli, V. Loya, L. Lefebvre, and M. Medraj, "The impact of microstructure on the permeability of metal foams," in CSME forum, 2004, vol. 2004, pp. 220-228.
[20]      J. Liu, W. Wu, W. Chiu, and W. Hsieh, "Measurement and correlation of friction characteristic of flow through foam matrixes," Experimental thermal and fluid science, vol. 30, no. 4, pp. 329-336, 2006.
[21]      L. Giani, G. Groppi, and E. Tronconi, "Mass-transfer characterization of metallic foams as supports for structured catalysts," Industrial & engineering chemistry research, vol. 44, no. 14, pp. 4993-5002, 2005.

  • تاریخ دریافت 03 اردیبهشت 1403
  • تاریخ بازنگری 03 مهر 1404
  • تاریخ پذیرش 11 تیر 1403