Analýza proudění a přenosu tepla ve 3D strukturách

Abstract

V průmyslové praxi rostou požadavky na odvod tepla zvláště v oblasti elektromobility, letectví a jaderné energetiky. Tento problém je možné vyřešit pomocí TPMS (Triple Periodic Minimal Surfaces) výměníků tepla, které za stejných podmínek poskytují vyšší jmenovitý tepelný výkon než konvenční řešení, ale jsou vyrobitelné pouze aditivními technologiemi. Pro TPMS výměníky však neexistuje jednotný návrhový postup a predikce tepelně-hydraulických vlastností jsou mnohdy nejednoznačné, proto je nutné postupovat za využití výpočtové dynamiky tekutin (CFD). Za použití softwaru ANSYS Fluent byly v této práci simulovány TPMS struktury Gyroid, Diamond a Schwarz P a porovnány s trubkovými svazky v konfiguraci v zákrytu (Inline) a v předsazeném uspořádání (Staggered). TPMS výměníky předčily trubkové svazky z hlediska tepelně-hydraulických vlastností, kdy Colburnův j-faktor vykazoval navýšení o 89–475 % v závislosti na režimu proudění. Naopak třecí součinitel vykazoval pro TPMS navýšení o 36–507 %. Nejvyšší potenciál využití v oblasti odvodu tepla vykazuje Gyroid, ale je vhodné zaměřit pozornost i na méně tradiční TPMS struktury a případnou metodu intenzifikace přenosu tepla těchto struktur vhodným postprocessingem teplosměnné plochy.

In industrial practice, heat dissipation requirements are increasing, especially in the fields of electromobility, aerospace and nuclear power. This problem can be solved with TPMS (Triple Periodic Minimal Surfaces) heat exchangers, which provide higher heat transfer rate than conventional solutions under the same conditions, but are only manufacturable with additive technologies. However, there is no unified design procedure for TPMS heat exchangers and predictions of thermal-hydraulic properties are often ambiguous, so it is necessary to proceed using computational fluid dynamics (CFD). In this study, TPMS structures Gyroid, Diamond, and Schwarz P, were simulated using ANSYS Fluent and compared with conventional tube bundles arranged in both inline and staggered configurations. TPMS heat exchangers outperformed tube bundles in terms of thermo-hydraulic performance, with the Colburn j-factor showing an increase of 89–475% depending on the flow regime. On the other hand, the friction factor for TPMS increased by 36–507%. The Gyroid structure demonstrated the highest potential for heat dissipation, however, attention should also be given to less conventional TPMS geometries and to possible methods of enhancing their heat transfer performance through appropriate post-processing of the heat exchange surface.