Towards the Accurate Numerical Prediction of Flow and Heat Transfer in Supercritical Fluids. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Final MSc Thesis.pdf Restricted to Repository staff only until 23 April 2026. Download (3MB)

Arabic Abstract

تعزيز خصائص المبردات أو السوائل العاملة كان مجالًا ذا اهتمام لعقود. إحدى الطرق الأكثر ملاءمة هي استخدام السوائل التي تعمل في ظروف أعلى من النقطة الحرجة المحددة ديناميكيًا. وتُسمى هذه السوائل بالسوائل فوق الحرجة. يمكن استخدام السوائل فوق الحرجة في العديد من التطبيقات الهندسية مثل أنظمة الدفع النفاث، ومحطات الطاقة، والمفاعلات النووية. ومع ذلك، فإن تضمين السوائل فوق الحرجة في مثل هذه الصناعات مقيد بسبب الطبيعة غير الواضحة لنقل الحرارة المدفوع بالتغيرات الكبيرة في الخصائص الديناميكية الحرارية. إن التنبؤ بنقل الحرارة في مثل هذه السوائل أمر بالغ الأهمية، خاصة في الأنظمة الحساسة للحرارة مثل المفاعلات النووية. حتى الآن، يفتقر المجتمع العلمي إلى طريقة عامة ودقيقة بشكل معقول للتنبؤ بنقل الحرارة في السوائل فوق الحرجة. لقد تم إجراء العديد من الدراسات التجريبية ونشرها للمجتمع العلمي لفهم سلوك نقل الحرارة المعقد للسوائل فوق الحرجة، والأهم من ذلك، لفك الغموض وراء ظواهر التدهور والتحسين التي تظهر عادة في هذه السوائل. تُعتبر هذه الدراسات مرجعًا لتقييم نماذج الاضطراب القائمة على ديناميكيات السوائل الحسابية المتاحة. الهدف من العمل الحالي هو تطوير و/أو تحسين نموذج تدفق حرارة اضطرابي متقدم في للتنبؤ بنقل الحرارة في السوائل فوق الحرجة. في هذا الصدد، تم اعتبار نموذج تدفق الحرارة الجبري كنقطة انطلاق. على الرغم من أنه نهج نمذجة متقدم، إلا أنه لم يصل أبدًا إلى مستوى الاستخدام بالشكل العام ليخدم مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية. ومع ذلك، في هذا البحث، تم إجراء مجموعة واسعة من الدراسات العددية لدراسة ظواهر نقل الحرارة المعقدة في السوائل فوق الحرجة. في المجموع، تم النظر في 50 حالة مختلفة تحت ظروف متنوعة. وقد تبين أن النماذج القياسية والمتقدمة السابقة لتدفق الحرارة الاضطرابي فشلت في تقديم تنبؤ معقول لنقل الحرارة. لذلك، تم اقتراح صيغة جديدة لنموذج، للتنبؤ بدقة بتدفق الحرارة ونقل الحرارة في السوائل فوق الحرجة تحت ظروف مختلفة. لقد أظهر هذا النموذج نتائج واعدة وحسن بشكل كبير دقة التنبؤ بنقل الحرارة لمجموعة واسعة من ظروف التدفق.

English Abstract

Enhancing coolants or working fluid properties has been an area of interest for decades. One of the most convenient ways is to use fluids operating at conditions higher than the thermodynamically defined critical point. Such fluids are called supercritical fluids (SCF). Supercritical fluids can be used in multiple engineering applications, such as jet propulsion systems, power plants, and nuclear reactors. However, the inclusion of supercritical fluids in such industries is constrained by the vague nature of heat transfer driven by the drastic change of thermophysical properties. Predicting the heat transfer in such fluids is vital, especially in thermo-sensitive systems like nuclear reactors. Until now, the scientific community has lacked a generalized and reasonably accurate method for predicting the heat transfer of SCF. Extensive experimental studies have been conducted and published in the literature to understand the complex heat transfer behavior of SCF and, more importantly, to unravel the mystery behind the deterioration and enhancement phenomena that typically appear in SCF. These studies serve as a reference to assess the available Computational Fluid Dynamics (CFD) based turbulence models. The current work aimed to develop and/or improve an advanced turbulent heat flux model in the framework of the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) approach for predicting the heat transfer of SCF. In this regard, an Algebraic Heat Flux Model (AHFM) has been considered as a starting point. Although the AHFM modeling approach is advanced, it has never reached the level of being used in the generalized form to cater to a wide range of industrial applications. Nevertheless, in this research work, a wide range of numerical studies has been performed to study the complex heat transfer phenomena in SCF. In total, 50 different cases were considered under various conditions. It was found that previously available standard and advanced turbulent heat flux models failed to provide a reasonable prediction of heat transfer. Therefore, a new formulation for AHFM has been proposed, hereafter referred to as AHFM-APS, to accurately predict the flow and heat transfer in SCF at different conditions. This new model has shown promising results and has significantly improved the accuracy of heat transfer prediction to a wide range of flow conditions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Physics Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Shams, Afaque
Committee Co-Advisor:	Pucciarelli, Andrea
Committee Members:	Al-Athel, Khaled and Alsarkhi, Abdelsalam and Alshehri, Ali
Depositing User:	ABDULLAH ALASIF (g201570850)
Date Deposited:	24 Apr 2025 05:14
Last Modified:	24 Apr 2025 05:14
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143338