[論文レビュー] Thermal Conductivity Modeling of Monodispersed Microspheres using Discrete Element Method

Jian Zeng, Ka Man Chung+5 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2021

Heat and Mass Transfer in Porous Media参考文献 42被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、従来のモデルよりも高い精度で、均一なシリカ微粒子床の効果的熱伝導率（𝑘eff）を予測するため、離散要素法（DEM）と有限要素法（FEM）を組み合わせた手法を提案する。DEMを用いて現実的なランダム Packing 構造をシミュレートし、それをFEMに統合することで、固体伝導、ガス伝導、放射熱伝導を捉えることができ、特に粒子サイズ、温度（500 °Cまで）、窒素圧力（20–760 Torr）の変動下でも、実験データと顕著に良好な一致を示した。これは、単純な立方格子構造を仮定したモデルよりも優れた性能を示す。

ABSTRACT

Particle beds are widely used in various systems and processes, such as particle heat exchangers, granular flow reactors, and additive manufacturing. Accurate modeling of thermal conductivity of particle beds and understanding of their heat transfer mechanisms are important. However, previous models were based on a simple cubic packing of particles which could not accurately represent the actual heat transfer processes under certain conditions. Here, we examine the effect of the packing structure on thermal conductivity of particle beds. We use monodispersed silica microspheres with average article sizes ranging from 23 to 330 um as a model material. We employ a transient hot-wire technique to measure the thermal conductivity of the particle beds with packing density of 43 to 57% within a temperature range of room temperature to 500 deg. C and under N2 gaseous pressures of 20 to 760 Torr. We then use a discrete element method (DEM) to obtain the realistic packing structure of the particles, which is then fed into a finite-element model (FEM) to calculate the thermal conductivity, with the consideration of solid conduction, gas conduction, and radiation heat transfer. Our results show that the thermal conductivity model based on the more realistic random packing structure derived from the DEM shows better agreement with the experimental data compared to that based on the simple cubic packing structure. The combined DEM and FEM methodology can serve as a useful tool to predict effective thermal conductivity of particle beds and to quantify different heat transfer mechanisms under various conditions.

研究の動機と目的

• 現実的なパッケージング構造を考慮した粒子床の効果的熱伝導率（𝑘eff）の予測モデルの構築を目的とする。
• 特にランダムパッケージングと単純立方格子との違いが、均一なマイクロスフィアにおける熱伝達メカニズムに与える影響を調査することを目的とする。
• 粒子サイズ（23–330 µm）、温度（室温–500 °C）、ガス圧力（20–760 Torr）の範囲で、固体伝導、ガス伝導、放射の各寄与の相対的寄与度を定量化することを目的とする。
• 高温一時的ホットワイヤ法による実験的測定結果と、DEM-FEMモデリング手法の妥当性を検証することを目的とする。

提案手法

• 粒子サイズ、摩擦係数、回復係数を組み込んだ離散要素法（DEM）を用いて、LIGGGHTSパッケージで3次元ランダムパッケージング構造をシミュレートした。
• COMSOLベースの有限要素法（FEM）モデルに、DEMで生成されたランダムパッケージング構造をインポートし、固体伝導、ガス伝導、放射を連成した定常熱伝導方程式を解いた。
• 粒子サイズ（23, 67, 330 µm）、温度（室温–500 °C）、N2圧力（20–760 Torr）の範囲で、一時的ホットワイヤ（THW）法を用いて粒子床の𝑘effを実験的に測定した。
• FEMの結果と式（5）を用いて、個々の熱伝達経路（固体伝導（𝑘1）、ガス伝導（𝑘g）、放射（𝑘r））の寄与を計算し、相対的寄与度を評価した。
• DEMで得られたランダムパッケージング構造に基づくFEM予測と、簡略化された単純立方格子（SC）パッケージング構造に基づく予測を比較し、構造の影響が𝑘effに与える影響を評価した。
• SiO2およびN2ガスの温度・圧力依存性の熱伝導率を考慮し、エネルギー方程式における放射熱伝達項を含めた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ランダムパッケージングと単純立方格子との違いが、均一なマイクロスフィア床における効果的熱伝導率（𝑘eff）の予測精度にどのように影響するか？
• RQ2 粒子サイズ（23–330 µm）、温度（室温–500 °C）、N2圧力（20–760 Torr）の変動下で、固体伝導、ガス伝導、放射の寄与度の相対的寄与度はどのようになるか？
• RQ3 理想化されたパッケージングに基づく従来の解析的モデルと比較して、DEM-FEMモデリングフレームワークは実験的𝑘eff測定値との一致度をどの程度向上させるか？
• RQ4 ランダムパッケージングと単純立方格子パッケージングにおける有効な接触数と伝導経路長はどのように異なり、それらが熱伝達メカニズムに与える影響は何か？

主な発見

• ランダムパッケージング構造に基づくDEM-FEMモデルは、全粒子サイズ、全温度、全ガス圧力範囲で実験的𝑘eff測定値と優れた一致を示したが、単純立方格子モデルは顕著なずれを示した。
• 760 Torr、700 °C条件下では、ランダムパッケージングモデルにおいてガス伝導が𝑘effの約90%を占め、固体伝導は約10%にとどまった。これは、高圧条件下でガス伝導が支配的であることを示している。
• 700 °Cで23 µm粒子の場合、固体伝導が𝑘effに約13.9%寄与したが、330 µm粒子では約4.4%に減少した。これは、粒子サイズが増加するにつれて固体伝導の寄与度が低下することを示している。
• 粒子サイズが増加するにつれて放射寄与度は上昇した。23 µm粒子では約1.2%であったが、330 µm粒子では700 °Cで約7.5%に上昇した。これは、光子の伝播路が長くなるためである。
• ランダムパッケージングにおける有効接触数（23, 67, 330 µm粒子についてそれぞれ4.2, 3.5, 3.1）は、単純立方格子構造の一次元熱伝導の理論的値2より高い。これは、ガス伝導寄与度の増加を説明する要因である。
• 単純立方格子モデルは、固体伝導を過大評価（例：700 °Cで23 µm粒子の場合約27.8%）し、ガス伝導を過小評価（約75%）した。これは、有効なガス伝導経路が長く、幾何学的単純化が原因であり、現実的なパッケージング構造の重要性を強調している。