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

PDF Thesis_202392850FD.pdf - Accepted Version Restricted to Repository staff only until 4 May 2027. Download (8MB)

Arabic Abstract

This thesis investigates the effect of flow pattern on the thermal performance of high-temperature porous volumetric solar receivers operating under prescribed outlet-temperature conditions. The study focuses on silicon carbide ceramic foam absorbers relevant to concentrated solar power applications and thermochemical processes requiring high-temperature fluid delivery. Two complementary flow-management aspects are examined: first, the effect of inlet feeding pattern through a comparison between axial and radial inlet configurations; and second, the effect of inlet-induced swirl in a radially fed receiver. The analysis is based on steady numerical simulations performed in ANSYS Fluent using a two-dimensional axisymmetric model, a Darcy--Forchheimer porous-medium formulation, a Local Thermal Non-Equilibrium approach for the solid and fluid phases, and the Discrete Ordinates method for radiative transfer. Temperature-dependent thermophysical properties are considered together with uniform and non-uniform irradiation profiles, while the operating point is defined by enforcing target outlet temperatures of 1000 K and 1300 K. The results show that operating temperature and irradiation non-uniformity are the dominant factors controlling receiver performance. Higher outlet temperatures and more peaked irradiation profiles intensify hotspot formation, increase re-radiation losses, and reduce thermal efficiency. The axial inlet generally yields slightly higher efficiencies than the radial one, although the difference remains moderate. Swirl provides a modest improvement under uniform irradiation, but its benefit weakens as the radiative load becomes more concentrated. Under strongly non-uniform heating, swirl-induced pressure redistribution and the local increase in gas viscosity divert the flow away from the irradiated core, limiting convective cooling where the thermal load is highest. Overall, flow manipulation affects internal thermal redistribution, but its capacity to generate large global efficiency gains is limited under the conditions considered.

English Abstract

تبحث هذه الرسالة في تأثير نمط التدفق على الأداء الحراري للمستقبلات الشمسية الحجمية المسامية عالية الحرارة التي تعمل في ظل ظروف درجة حرارة مخرج محددة. تركز الدراسة على ممتصات الرغوة السيراميكية المصنوعة من كربيد السيليكون ذات الصلة بتطبيقات الطاقة الشمسية المركزة والعمليات الكيميائية الحرارية التي تتطلب توفير سوائل عالية الحرارة. يتم فحص جانبين متكاملين لإدارة التدفق: أولاً، تأثير نمط التغذية عند المدخل من خلال مقارنة بين تكوينات المدخل المحورية والشعاعية؛ وثانياً، تأثير الدوران المغزلي (Swirl) الناجم عن المدخل في مستقبل ذو تغذية شعاعية. يستند التحليل إلى محاكاة عددية مستقرة أجريت باستخدام برنامج \LR{ANSYS Fluent}، مع نموذج ثنائي الأبعاد متماثل المحور، وصياغة "دارسي-فورشهيمر" للوسط المسامي، ونهج عدم التوازن الحراري المحلي (\LR{LTNE}) لأطوار الصلب والسائل، وطريقة الإحداثيات المنفصلة (\LR{DO}) للنقل الإشعاعي. تم أخذ الخصائص الفيزيائية الحرارية المعتمدة على درجة الحرارة في الاعتبار إلى جانب ملامح الإشعاع الموحدة وغير الموحدة، بينما تم تحديد نقطة التشغيل بفرض درجات حرارة مخرج مستهدفة تبلغ \LR{1000 K} و \LR{1300 K}. أظهرت النتائج أن درجة حرارة التشغيل وعدم انتظام الإشعاع هما العاملان المهيمنان في التحكم في أداء المستقبل. تؤدي درجات حرارة المخرج الأعلى وملامح الإشعاع الأكثر حدة إلى تكثيف تكوين النقاط الساخنة، وزيادة خسائر إعادة الإشعاع، وتقليل الكفاءة الحرارية. يحقق المدخل المحوري عموماً كفاءات أعلى قليلاً من المدخل الشعاعي، على الرغم من أن الفرق يظل معتدلاً. يوفر الدوران (Swirl) تحسناً طفيفاً في ظل الإشعاع الموحد، لكن فائدته تضعف عندما يصبح الحمل الإشعاعي أكثر تركيزاً. وفي ظل التسخين غير المنتظم بشدة، تؤدي إعادة توزيع الضغط الناتجة عن الدوران والزيادة المحلية في لزوجة الغاز إلى تحويل التدفق بعيداً عن القلب المشع، مما يحد من التبريد بالحمل الحراري حيث يكون الحمل الحراري في أعلى مستوياته. بشكل عام، تؤثر معالجة التدفق على إعادة التوزيع الحراري الداخلي، ولكن قدرتها على تحقيق مكاسب كبيرة في الكفاءة العالمية محدودة في ظل الظروف المدروسة.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Engineering Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Amro Al-qutub,
Thesis Committee Members:	Rached Mansour, Majid Linjawi,
Depositing User:	JUAN BEDOYA QUIROGA (g202392850)
Date Deposited:	06 May 2026 04:58
Last Modified:	06 May 2026 04:58
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144175