Advanced Thermal Lattice Boltzmann Modelling of Rarefied Flows: Enhancing Microchannel Efficiency with Obstacles and Nanofluids

Abstract

يتم استخدام الطريقة الحرارية لشبكة بولتزمان مع وظيفة التوزيع المزدوجة لدراسة تدفق السوائل المتخلخلة وانتقال الحرارة في القنوات الدقيقة. يدرس الجزء الأول من الأطروحة العوائق الموجودة داخل القناة الدقيقة لفهم وجودها وتأثيرها على خصائص تدفق السوائل والأداء العام للقناة. ثم، في الجزء الثاني، يتم فحص موقع العوائق داخل جدران القنوات الدقيقة بمزيد من التفصيل. ويهدف هذا القسم إلى تحديد المواقع الأمثل لهذه العوائق. يستكشف الجزء الثالث من الدراسة تعزيز الخواص الفيزيائية الحرارية للسائل في قناة صغيرة عن طريق إدخال سائل نانوي يتكون من الماء الممزوج بجزيئات النحاس النانوية. يتم أخذ سرعة الانزلاق والقفز في درجة الحرارة في الاعتبار في الجدران الدقيقة والعوائق. استكشفت الدراسة تأثير العوائق وتطبيق الموائع النانوية على درجة الحرارة، وملامح السرعة، ومعاملات نسلت ومعامل الاحتكاك، بالإضافة إلى سرعة الانزلاق وقفز درجة الحرارة على طول جدران القنوات الدقيقة. وعلى وجه الخصوص، سلطت الدراسة الضوء على التأثير الكبير لتأثير التخلخل على السرعة وتوزيع درجة الحرارة. تشير النتائج إلى أن تكوين القناة الدقيقة الذي يشتمل على تسع عوائق أدى إلى تباطؤ التدفق ثم تسارعه عند المخرج الرئيسي. تشير دراستنا إلى أن وضع العوائق في الجزء العلوي أو على طول جوانب قناة صغيرة مستطيلة يمكن أن يقلل بشكل فعال من درجات حرارة المخرج، اعتمادا على ما إذا كان التبريد مطلوبا على كلا الجانبين أو في الجزء العلوي فقط، مما يساعد أيضًا في تقليل استهلاك المواد.

La méthode thermique de Boltzmann sur réseau avec une double fonction de distribution est utilisée pour étudier l'écoulement des fluides raréfiés et le transfert de chaleur dans les microcanaux. La première partie de la thèse étudie les obstacles à l'intérieur du microcanal afin de comprendre leur présence et leur impact sur les caractéristiques de l'écoulement des fluides et les performances globales du canal. Ensuite, dans la deuxième partie, l'emplacement des obstacles à l'intérieur des parois du microcanal est examiné plus en détail. Cette section vise à identifier les emplacements optimaux de ces obstacles. La troisième partie de l'étude explore l'amélioration des propriétés thermophysiques du fluide dans un microcanal en introduisant un nanofluide composé d'eau mélangée à des nanoparticules de cuivre. La vitesse de glissement et le saut de température sont pris en compte dans le microcanal et les parois des obstacles. L'étude a exploré l'influence des obstacles et de l'application de nanofluides sur la température, les profils de vitesse, le nombre de Nusselt et de coefficient de frottement , ainsi que la vitesse de glissement et le saut de température le long des parois du microcanal. L'étude a notamment mis en évidence l'impact significatif de l'effet de raréfaction sur la distribution de la vitesse et de la température. Les résultats indiquent qu'une configuration de microcanal incorporant neuf obstacles a conduit à une décélération et à une accélération subséquente du flux à la sortie principale. Notre étude indique que le fait de placer des obstacles au sommet ou sur les côtés d'un microcanal rectangulaire peut réduire efficacement les températures de sortie, selon que le refroidissement est requis des deux côtés ou uniquement au sommet, ce qui contribue également à réduire la consommation de matériaux.

The Thermal lattice Boltzmann method with a double distribution function is used to study rarefied fluid flow and heat transfer in microchannels. The first part of the thesis studies obstacles inside the microchannel to understand their presence and impact on fluid flow characteristics and overall channel performance. Then, in the second part, the location of obstacles inside the microchannel walls is examined in more detail. This section aims to identify optimal locations for these obstacles. The third part of the study explores the enhancement of the thermophysical properties of the fluid in a microchannel by introducing a nanofluid composed of water mixed with copper nanoparticles. Slip velocity and temperature jump are taken into account in the microchannel and obstacle walls. The study explored the influence of obstacles and nanofluid application on temperature, velocity profiles, Nusselt number and skin friction coefficients, as well as slip velocity and temperature jump along the microchannel walls. In particular, the study highlighted the significant impact of the rarefaction effect on velocity and temperature distribution. The results indicate that a microchannel configuration incorporating nine obstacles led to a deceleration and subsequent flow acceleration at the main outlet. Our study indicates that placing obstacles at the top or along the sides of a rectangular microchannel can effectively reduce outlet temperatures, depending on whether cooling is required on both sides or only at the top, which also helps reduce material consumption.