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

Abstract

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.