Lattice Boltzmann simulation of fluid flow in porous media of temperature-affected geometry

The Lattice Boltzmann method (LBM) has been applied for flow and heat transfer computations. The simulations have been performed with the single-relaxation time model and an advanced formulation of boundary conditions for LBM. For nonsothermal cases, a second distribution function has been used. First, validation tests are reported for heated flow past a single obstacle as well as over a set of regularly and randomly arranged obstacles (grains) that make up a simplified model of a porous medium. The Nusselt number for heat transfer in flow past a single obstacle has been computed. Next, novel simulations of non-isothermal flow in a porous medium of temperature-affected geometry have been undertaken. For the purpose, the thermal dilatation of grains has been accounted for. Results are presented for the pressure head loss and time-varying temperature profiles in the medium. Qualitative computations accomplished to date constitute an encouraging first step to proceed further towards the impact of temperature-affected geometry in such flows, in particular for the coking process.

Metoda siatkowa Boltzmanna (LBM) została zastosowana do obliczeń przepływu i wymiany ciepła. Symulacje zostały przeprowadzone dla modelu z pojedynczym czasem relaksacji oraz zaawansowanego schematu warunków brzegowych metody LB. Dla przepływów nieizotermicznych, użyto dwóch funkcji rozkładu. Przedstawiono obliczenia testowe nieizotermicznego opływu pojedynczej przeszkody, jak również opływu regularnie oraz losowo rozmieszczonych przeszkód (ziaren), które tworzą uproszczony model ośrodka porowatego. Wyznaczono liczbę Nusselta dla przepływu ciepła w opływie pojedynczej przeszkody. Podjęto symulacje połączonych zjawisk (przepływ i wymiana ciepła) dla ośrodka porowatego o zmiennej geometrii przeszkód. W tym przypadku uwzględniono rozszerzalność termiczną ziaren. Zaprezentowano wyniki dla straty ciśnienia oraz zmienne w czasie profile temperatury dla przepływu przez ośrodek. Uzyskane dotąd jakościowe wyniki stanowią pierwszy krok do dalszych badań wpływu zależnej od temperatury geometrii ziaren ośrodka na przebieg takich przepływów, a w szczególności na proces koksowania.