EFFECT OF FLUX DISTRIBUTION ON THERMAL PERFORMANCE OF SOLAR VOLUMETRIC POROUS ABSORBER. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (MSc. Thesis) Eprint Copy.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 27 June 2026. Download (2MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الدراسة تحلياًل عددايا لتأثير توزيع الفيض الشمسي على األداء الحراري لمستقبل مسامي حجمي يعمل بالطاقة الشمسية، وال ُمصمم للتطبيقات ذات درجات الحرارة العالية مثل إعادة تشكيل الميثان. تم تطوير نموذج عددي ثنائي األبعاد )ذو تناظر محوري( في الحالة المستقرة باستخدام فرضية عدم التوازن الحراري المحلي(LTNE (، لدراسة تأثير مجموعة من المتغيرات التصميمية والتشغيلية، بما في ذلك ُسمك الرغوة )20–50 مم(، المسامية )75–٪90(، قطر المسام )1–4 مم(، سرعة دخول المائع )0.5–4 م/ث(، ودرجات حرارة الخرج المستهدفة )1000 كلفن و1300 كلفن(. تم استخدام مادتين للرغوة: كربيد السيليكون (SiC (ذات التوصيلية الحرارية العالية، واأللومينا (₃O₂Al (ذات التوصيلية المنخفضة، باإلضافة إلى استخدام هواء وبخار ماء كغازين ناقلين للحرارة. تم تطبيق فيض شمسي موزع بشكل منتظم ب اإلضافة إلى توزيعات غاوسية )ذات ذروة مضاعفة 2× و3× و 4×( مع الحفاظ على نفس القدرة الكلية )20 كيلوواط(، لدراسة تأثير شكل التوزيع على كفاءة االمتصاص الحراري. أظهرت النتائج أن التوزيع الغاوسي بضعف متوسط الفيض )2×( يحقق أعلى كفاءة حرارية، حيث يُر ّكز الطاقة في مناطق ذات سرعات مائع عالية، مما يُح ّسن انتقال الحرارة بالحمل ويقلل من النقاط الساخنة. تفوقت رغوة SiC على رغوة ₃O₂Al بفضل التوصيلية الحرارية األعلى، كما أظهر استخدام البخار بدالا من الهواء تحسانا في الكفاءة بنسبة تتراوح بين 3–.٪6 وبلغت الكفاءة الحرارية القصوى ٪64.5 تحت الظروف المثالية، بينما تراجعت الكفاءة عند استخدام توزيعات شديدة التركيز )4×( نتيجة التراكم الحراري المحلي. تُبرز هذه النتائج أهمية مواءمة توزيع الفيض الشمسي مع سلوك التدفق الداخلي، وأهمية اختيار المواد والسوائل المناسبة. وتختتم الدراسة بتوصيات إلجراء نمذجة متغيرة مع الزمن، وتطبيق نماذج إشعاعية متقدمة، وإجراء تجارب عملية للتحقق من دقة النتائج ودعم تطوير المستقبًلت الشمسية عالية الكفاءة للتطبيقات الصناعية الحرارية

English Abstract

This study numerically investigates the effect of flux distribution on the thermal performance of a solar volumetric porous receiver designed for high-temperature processes such as methane reforming. Using a steady-state, axisymmetric model with Local Thermal Non-Equilibrium (LTNE) formulation, simulations were conducted to assess the impact of various operating and geometric parameters, including foam thickness (20–50 mm), porosity (75–90%), pore size (1–4 mm), inlet velocity (0.5–4 m/s), and outlet temperature targets (1000 K and 1300 K). Two foam materials—Silicon Carbide (SiC) and Alumina (Al₂O₃)—were evaluated, along with two heat transfer fluids: air and water steam. Uniform and Gaussian-distributed solar fluxes with equivalent total input power (20 kW) were applied to analyze their influence on energy absorption and efficiency. Results showed that a 2× Gaussian flux profile achieved the highest thermal efficiency by matching peak flux with regions of maximum fluid velocity, thus enhancing convective heat transfer and minimizing hotspots. SiC foams consistently outperformed Al₂O₃ due to higher thermal conductivity, and steam-cooled cases demonstrated 3–6% higher efficiency than air-cooled ones. Maximum thermal efficiency reached 64.5% under optimal conditions. However, excessively peaked flux (4×) caused efficiency to decline due to localized overheating. These findings highlight the importance of synchronizing flux distribution with internal flow behavior and selecting suitable materials and fluids. The study concludes with recommendations for transient simulations, high-fidelity radiation modeling, and experimental validation to support the development of high-efficiency solar receivers for industrial thermochemical applications.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Al-Qutub, Amro Mohammad
Committee Co-Advisor:	Mansour, Rached Ben
Committee Members:	Mokheimer, Esmail M. A. and Habib, M. A. and Linjawi, Majid T.
Depositing User:	AMJAD OTHMAN (g202203520)
Date Deposited:	29 Jun 2025 06:35
Last Modified:	29 Jun 2025 06:35
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/143583