Thermal–Hydraulic Performance Enhancement of Different SiC Foam Volumetric Solar Air Receiver Configurations through Axial and Radial Graded Porosity and Cell Size Design Optimization. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF MS Thesis Final Draft, Kamal Nayel.pdf Restricted to Repository staff only until 11 January 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

تقدّم هذه الدراسة تحليلًا عدديًا للأداء الحراري–الهيدروليكي لمستقبلات الطاقة الشمسية الحجمية المسامية المصنوعة من كربيد السيليكون (SiC)، وذلك من خلال نهجين تصميميين متكاملين يتم فيهما إعادة توزيع حجم المادة الصلبة لرغوة منتظمة إلى تراكيب متدرجة متعددة الطبقات مع الحفاظ على ثبات الحجم الكلي للمادة الصلبة. في النهج الأول، يُعاد ترتيب الرغوة الخزفية إلى تراكيب محورية متدرجة ذات طبقتين، ليتم دراستها مع نظامي الجريان المتوازي والجريان المعاكس بالنسبة للإشعاع الشمسي المركز المسلط. باستخدام منهج المتوسط الحجمي، ومعادلة دارسي–برينكمان–فوركايمر، ونموذج اللاتوازن الحراري الموضعي (LTNE)، وتقريب P1 لمعادلة انتقال الإشعاع، تُظهر النتائج أن المستقبلات ثنائية الطبقة قادرة على تعزيز الأداء الحراري بشكل ملحوظ. إذ إن التصميم المحوري المتدرج الأمثل ذي المساميات 0.70 و 0.90 تحت نظام الجريان المعاكس يرفع درجة حرارة المائع عند المخرج إلى 833 كلفن، ويزيد الكفاءة الكلية من نحو 56% في حالة البنية المنتظمة إلى 85%، مما يبرز فائدة إعادة توزيع محتوى المادة الصلبة إلى طبقات منفصلة ذات مساميات وأحجام خلايا مختلفة. أما في النهج الثاني، فيُعاد توزيع المادة الخزفية الصلبة شعاعيًا إلى تراكيب متدرجة ذات طبقتين وثلاث طبقات باستخدام تكوينات مختلفة من المعاملات الهيكلية للرغوة السيراميكية. ويُظهر التحليل العددي الذي تم إجراءه تحت المعادلات الحاكمة نفسها والظروف الحدّية ذاتها أن التدرج الشعاعي يحسّن بصورة إضافية التوازن بين انتقال الحرارة ومقاومة الجريان. حيث تؤدي المستقبلات الشعاعية ثنائية الطبقة إلى زيادة درجة حرارة المائع الخارج بنسبة تصل إلى 25% وتحقيق قيم لمعيار تقييم الأداء (PEC) تتجاوز 1.30، بينما توفّر التصاميم ثلاثية الطبقات المبنية على مساميات 0.65 و0.80 و0.95 أفضل اقتران بين الامتصاص الإشعاعي، والتفاعل الحراري بين الطورين الصلب والمائع، ونفاذية الجريان. كما يُظهر المزيد من تحسين توزيعات أحجام الخلايا أن اعتماد مسام داخلية واسعة مع طبقات خارجية ذات فتحات ضيقة يعزّز اختراق الإشعاع وانتقال الحرارة البيني، ما يحقق أعلى درجة حرارة للمائع عند المخرج تبلغ 1000 كلفن.

English Abstract

This study presents a numerical investigation of the thermal–hydraulic performance of silicon carbide (SiC) porous volumetric solar receivers (VSRs) using two complementary design approaches in which the solid volume of a uniform foam is redistributed into multi–layer graded structures while maintaining a constant total solid volume. In the first approach, the foam is reallocated into axial graded double–layered axial configurations and examined under parallel and counter flow schemes relative to the incident concentrated solar radiation. Using the volume–averaged approach, the extended Darcy–Brinkman–Forchheimer equation, the local thermal non–equilibrium (LTNE) model and the P1 approximation, the results show that double–layered receivers can significantly enhance thermal output. The optimal axial graded design with porosities (ϕ1 = 0.90, ϕ2 = 0.70) under the counter flow scheme raises the outlet fluid temperature to 833 K and increases overall efficiency from approximately 56% for the uniform structure case to 85%, demonstrating the benefit of redistributing the solid material content into discrete layers with different porosities and cell sizes. In the second approach, the same solid volume is radially redistributed into double– and triple–layered graded configurations with various combinations of foam morphological parameters. The numerical analysis carried out under identical governing equations and boundary conditions, shows that radial grading further improves the balance between heat transfer and flow resistance. Double–layered radial receivers increase the outflow temperature by up to 25% and achieve PEC values greater than 1.30, while triple–layered designs constructed from porosities 0.65, 0.80 and 0.95 provide the most effective coupling of radiative absorption, solid–fluid interaction, and flow permeability. Additional optimization of cell size distributions shows that coarse inner pores and finer outer layers improve radiative penetration and interfacial heat transfer, yielding the highest outlet fluid temperature of 1000 K.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Almerbati, Abdulrahman
Committee Members:	Shahzada, Shuja and Awad, Alquaity
Depositing User:	KAMAL NAYEL (g202303550)
Date Deposited:	12 Jan 2026 07:30
Last Modified:	12 Jan 2026 07:30
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144014