Numerical study of the heat and mass transfer processes with the Lattice Boltzmann method: Laminar Mixed Convection in a Square Open C

Abstract

El tema d’aquesta tesis és l’estudi numèric i implementació del mètode de Lattice Boltzmann utilitzant els models D2Q9 amb múltiples temps de relaxació (MTR), aquest model es aplicat en el camp de fluids, temperatura i concentració. Un codi font obert s’ha utilitzat i modificat amb la finalitat d’aplicar-lo als processos de transferència de calor i de massa. La tesis esta dividida en dues parts, (I) l’estudi d’un flux laminar en un tub i un canal i la seva simulació (llei de Poiseuille), així com una cavitat tancada amb tapa mòbil, i el puls Gaussià per a problemes de convecció-difusió per als processos de calor i massa, convecció natural en la cavitat tancada i flux màssic en un plat s’han realitzat per tal d’analitzar les condicions de contorn en el mètode Lattice Boltzmann. (II) l’objectiu principal va ser l’estudi d’un flux laminar en estat estacionari i no estacionari en una cavitat oberta amb una font de calor a la part inferior. Els resultats obtinguts amb el mètode de Lattice Boltzmann es van comparar amb els obtinguts amb el programa comercial ANSYS-FLUENT per a la seva validació. La temperatura, velocitat i nombre de Nusselt es van calcular amb el mètode tèrmic de Lattice Boltzmann, presentant una bona concordança per als conjunts de nombres de Reynolds i de Richardson.

El tema de esta tesis es el estudio numérico e implantación del método de Lattice Boltzmann usando los modelos D2Q9 con múltiples tiempos de relajación (MRT), este modelos es aplicado en el campo de fluidos, temperatura y concentración. Un código abierto fue usando y modificado con el fin de aplicarlo a los procesos de transferencia de calor y masa. La tesis está dividida en dos partes, (I) el estudio de un flujo laminar en un tubo y un canal fueron simulados (ley Poiseuille), así como también cavidad cerrada con tapa móvil y el pulso Gaussiano para problemas de conveccion-difusion, para los procesos de calor y masa, convección natural en la cavidad cerrada y flujo másico en un plato fueron realizados, con el fin de analizar las condiciones de contornos en método de Lattice Boltzmann. (ii) el principal objetivo fue el estudio de un flujo laminar en estado estacionario y no estacionario en una cavidad aberita con un fondo calentado. Los resultados obtenidos con el método de Lattice Boltzmann fueron comparados con los obtenidos por el programa comercial ANSYS-FLUENT para su validación. La temperatura, velocidad y el número de Nusselt fueron calculados con el método térmico de Lattice Boltzmann, presentando una buena concordancia para los conjuntos de números de Reynolds and número de Richardson.

The topic of this thesis is the numerical study and implementation of the LBM using D2Q9-model for Multiple Relaxation Time (MRT), this model was applied for the fluid flow, temperature and concentration field . A code was developed using an open-source LBM code and modified for the purpose to simulate the heat and mass transfer process. This thesis is divided in two parts. (I) Study of the laminar flow in a pipe and channel were simulate (Hagen-Poiseuille flow), as well as a Lid-driven cavity for a incompressible laminar flow and convection-diffusion problem of a Gaussian pulse was executed , for a heat and mass transfer, natural convection in a closed cavity and mass flux rate in a plate were performed with the objective to analyze the boundary condition of LBM for passive scalar concentration. (II) The main objective was the study of the steady and unsteady laminar flow in a channel with open square cavity and heated bottom wall. The Boussinesq approximation equation were applied, and it obtained a good accuracy and stability. LBM was compared against results obtained by ANSY-Fluent software for validation. Temperature, velocity and Nusselt number, calculated with TLBM presented very well agreement for the set of Reynolds and Richardson numbers studied.