probenerИзвестия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИPower engineering: research, equipment, technology1998-99032658-5456Kazan State Power Engineering University10.30724/1998-9903-2024-26-5-66-78probener-3138Research ArticleЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И КОМПЛЕКСЫENERGY SYSTEMS AND COMPLEXESИсследование аэродинамических процессов в пористых материалах на основе трижды периодических минимальных поверхностейInvestigation of aerodynamic processes in porous materials based on triply periodic minimal surfaceshttps://orcid.org/0000-0002-9835-0206БрагинД. М.BraginD. M.

Брагин Дмитрий Михайлович – мл. науч. сотр. кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

г. Самара

Dmitry M. Bragin

Samara

dimabragin2204@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0003-3784-2829МустафинР. М.MustafinR. M.

Мустафин Равиль Мансурович – ст. преподаватель кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

г. Самара

Ravil M. Mustafin

Samara

ravil-bk211@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9835-0206ПоповА. И.PopovA. I.

Попов Андрей Игоревич – ст. преподаватель кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

г. Самара

Andrey I. Popov

Samara

popov.ai@samgtu.ruhttps://orcid.org/0009-0002-9104-1336ЗининаС. А.ZininaS. A.

Зинина Софья Алексеевна – мл. науч. сотр. кафедры «Промышленная теплоэнергетика»

г. Самара

Sofia A. Zinina

Samara

sofazinina4@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-2614-6329ЕреминА. В.EreminA. V.

Еремин Антон Владимирович – д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой «Промышленная теплоэнергетика»

г. Самара

Anton V. Eremin

Samara

a.v.eremin@list.ruСамарский государственный технический университетРоссияSamara State Technical UniversityRussian Federation2024281020242656678Copyright © Брагин Д.М., Мустафин Р.М., Попов А.И., Зинина С.А., Еремин А.В., 20242024Брагин Д.М., Мустафин Р.М., Попов А.И., Зинина С.А., Еремин А.В.Bragin D.M., Mustafin R.M., Popov A.I., Zinina S.A., Eremin A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.energyret.ru/jour/article/view/3138

АКТУАЛЬНОСТЬ работы заключается в исследовании новых пористых материалов для применения в компактных высокоэффективных теплообменных устройствах. ЦЕЛЬ. Изучить гидро-аэродинамические свойства потоков, проходящих через пористые вставки на основе топологий трижды периодических минимальных поверхностей (ТПМП). Разработать методику исследования пористых материалов с упорядоченной пространственной структурой. Определить потенциально пригодные для применения в теплообменном оборудовании пористые материалы на основе ТПМП. МЕТОДЫ. При решении поставленных задач были использованы численные (CFD) и экспериментальные методы. Для численного моделирования использовалось программное обеспечение Ansys Fluent 2019 R3. Опытные образцы для натурного эксперимента, проводимого на лабораторной установке ВЕНТ-08-7ЛР-01, были изготовлены при помощи аддитивных технологий SLA. Пористость образцов вирировалась от 0,73 до 0,89. Эксперимент проводился при скорости на входе в трубку от 0.3 до 4,5 м/с. РЕЗУЛЬТАТЫ. По результатам исследования получены новые эмпирические зависимости потерь давления от скорости потока для вставок на основе поверхностей: Primitive (P), Fischer Koch S (FKS), Neovius (N), Schoen's I-WP (IWP). Воздушный поток при прохождении через структуру N демонстрировал наибольшие потери давления, в то время как через структуру P потери при той же скорости были меньше в 8 раз. В пористых вставках выявлены застойные области, которые могут оказывать отрицательное воздействие на теплопередачу. Определены изменения локальной скорости потока в пористых вставках, коррелирующие с просветностью вставки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Результаты исследования могут быть использованы для проектирования систем охлаждения с оребрением на основе ТПМП. Исходя из проведенного анализа распределения векторного поля скоростей и потерь давления, структуры FKS и IWP могут потенциально быть использованы в теплообменном оборудовании.

RELEVANCE: The relevance of this work lies in the study of new porous materials for use in compact, highly efficient heat exchange devices. PURPOSE: To investigate the hydro-aerodynamic properties of flows passing through porous inserts based on triply periodic minimal surface (TPMS) topologies. To develop a methodology for studying porous materials with ordered structures. To identify potentially suitable TPMS-based porous materials for application in heat exchange equipment. METHODS: Numerical (CFD) and experimental methods were used to address the research objectives. Ansys Fluent 2019 R3 software was utilized for numerical modeling. Experimental samples for the physical experiments conducted on the VENT-08-7LR-01 laboratory setup were fabricated using SLA additive technologies. The porosity of the samples ranged from 0.73 to 0.89. The experiment was conducted with inlet velocities ranging from 0.3 to 4.5 m/s. RESULTS: New empirical dependencies of pressure drop on flow velocity were obtained for inserts based on the surfaces: Primitive (P), Fischer Koch S (FKS), Neovius (N), and Schoen's I-WP (IWP). The airflow through the N structure showed the highest pressure drop, while the P structure had 8 times less pressure drop at the same velocity. Stagnation zones, which can negatively impact heat transfer, were identified in the porous inserts. Changes in local flow velocity in the porous inserts were determined to correlate with the insert's transparency. CONCLUSION: The research results can be used for designing cooling systems with TPMS-based ribbing. Based on the analysis of the velocity vector field distribution and pressure drops, the FKS and IWP structures have potential applications in heat exchange equipment.

потери давленияпористый материалоребрениеPrimitiveFischer Koch SNeoviusSchoen's I-WPтрижды периодические минимальные поверхностиPressure DropPorous MaterialRibbingPrimitiveFischer Koch SNeoviusSchoen's I-WPTriply periodic minimal surfaceИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда №23-79-10044, rscf.ru/project/23-79-10044/.This work is supported by the Russian Science Foundation under grant 23-79-10044, rscf.ru/project/23-79-10044/.ReferencesGürel B. et al. Investigation on flow and heat transfer of compact brazed plate heat exchanger with lung pattern //Applied Thermal Engineering. – 2020. – Т. 175. – С. 115309. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115309Gürel B. et al. Investigation on flow and heat transfer of compact brazed plate heat exchanger with lung pattern //Applied Thermal Engineering. – 2020. – Т. 175. – С. 115309. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2020.115309Attarzadeh R., Attarzadeh-Niaki S. H., Duwig C. Multi-objective optimization of TPMS-based heat exchangers for low-temperature waste heat recovery //Applied Thermal Engineering. – 2022. – Т. 212. – С. 118448. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118448Attarzadeh R., Attarzadeh-Niaki S. H., Duwig C. Multi-objective optimization of TPMS-based heat exchangers for low-temperature waste heat recovery //Applied Thermal Engineering. – 2022. – Т. 212. – С. 118448. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118448Рыдалина Н.В., Аксенов Б.Г., Степанов О.А., Антонова Е.О. Применение пористых материалов в теплообменных аппаратах системы теплоснабжения // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020. Т. 22. № 3 С. 3-13. doi:10.30724/1998-9903-2020-22-3-3-13Rydalina NV, Aksenov BG, Stepanov OA, Antonova EO. Application of porous materials in heat exchangers of heat supply system. Power engineering: research, equipment, technology. 2020;22(3):3-13. doi:10.30724/1998-9903-2020-22-3-3-13.Соловьева О.В., Соловьев С.А., Талипова А.Р., Шакурова Р.З., Гилязов А.И. Исследование влияния пористости волокнистого материала на значение энергетической эффективности // Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2022. Т. 14. №1 (53). С. 56-64.Soloveva OV, Solovev SA, Talipova AR, Shakurova RZ, Gilyazov AI. Study of the influence of the porosity of a fibrous material on the energy efficiency value. KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. 2022;14;1(53):56-64.Соловьева О.В., Соловьев С.А., Ваньков Ю.В., Ахметова И.Г., Шакурова Р.З., Талипова А.Р. Исследование влияния геометрии высокопористого ячеистогоматериала на значение энергетической эффективности // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2022. Т.24. № 3. С. 55-69. doi:10.30724/1998-9903-2022-24-3-55-69Soloveva OV, Solovev SA, Vankov YuV, Akhmetova IG, Shakurova RZ, Talipova AR. Determination of the effect of the open cell foam material geometry on the value of energy efficiency. Power engineering: research, equipment, technology. 2022;24(3):55-69. doi:10.30724/1998-9903-2022-24-3-55-69Yeranee K., Rao Y. A review of recent investigations on flow and heat transfer enhancement in cooling channels embedded with triply periodic minimal surfaces (TPMS) //Energies. – 2022. – Т. 15. – №. 23. – С. 8994. doi.org/10.3390/en15238994Yeranee K., Rao Y. A review of recent investigations on flow and heat transfer enhancement in cooling channels embedded with triply periodic minimal surfaces (TPMS) //Energies. – 2022. – Т. 15. – №. 23. – С. 8994. doi.org/10.3390/en15238994Alteneiji M. et al. Heat transfer effectiveness characteristics maps for additively manufactured TPMS compact heat exchangers //Energy Storage and Saving. – 2022. – Т. 1. – №. 3. – С. 153-161. doi.org/10.1016/j.enss.2022.04.005Alteneiji M. et al. Heat transfer effectiveness characteristics maps for additively manufactured TPMS compact heat exchangers //Energy Storage and Saving. – 2022. – Т. 1. – №. 3. – С. 153-161. doi.org/10.1016/j.enss.2022.04.005Qiu N. et al. Experimental and numerical studies on mechanical properties of TPMS structures //International Journal of Mechanical Sciences. – 2024. – Т. 261. – С. 108657. doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108657Qiu N. et al. Experimental and numerical studies on mechanical properties of TPMS structures //International Journal of Mechanical Sciences. – 2024. – Т. 261. – С. 108657. doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2023.108657Соловьева О.В., Соловьев С.А., Шакурова Р.З. Обзор современных керамических ячеистых материалов и композитов, применяемых в теплотехнике // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2023. Т.25. № 1. С. 82-104. doi:10.30724/1998-9903-2023-25-1-82-104.Soloveva OV, Solovev SA., Shakurova RZ. Review of modern ceramic cellular materials and composites used in heat engineering. Power engineering: research, equipment, technology. 2023; 25(1): 82-104. doi:10.30724/1998-9903-2023-25-1-82-104.Qian C. et al. Experimental investigation on heat transfer characteristics of copper heat exchangers based on triply periodic minimal surfaces (TPMS) //International Communications in Heat and Mass Transfer. – 2024. – Т. 152. – С. 107292. doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107292Qian C. et al. Experimental investigation on heat transfer characteristics of copper heat exchangers based on triply periodic minimal surfaces (TPMS) //International Communications in Heat and Mass Transfer. – 2024. – Т. 152. – С. 107292. doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2024.107292Dharmalingam L. K., Aute V., Ling J. Review of triply periodic minimal surface (TPMS) based heat exchanger designs. – 2022.Dharmalingam L. K., Aute V., Ling J. Review of triply periodic minimal surface (TPMS) based heat exchanger designs. – 2022.Fan Z., Gao R., Liu S. A novel battery thermal management system based on P type triply periodic minimal surface //International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2022. – Т. 194. – С. 123090. doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123090Fan Z., Gao R., Liu S. A novel battery thermal management system based on P type triply periodic minimal surface //International Journal of Heat and Mass Transfer. – 2022. – Т. 194. – С. 123090. doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123090Wang J. et al. Investigation on flow and heat transfer in various channels based on triply periodic minimal surfaces (TPMS) //Energy Conversion and Management. – 2023. – Т. 283. – С. 116955. doi.org/10.1016/j.enconman.2023.116955Wang J. et al. Investigation on flow and heat transfer in various channels based on triply periodic minimal surfaces (TPMS) //Energy Conversion and Management. – 2023. – Т. 283. – С. 116955. doi.org/10.1016/j.enconman.2023.116955Knödler P., Dreissigacker V. Fluid Dynamic Assessment and Development of Nusselt Correlations for Fischer Koch S Structures //Energies. – 2024. – Т. 17. – №. 3. – С. 688. doi.org/10.3390/en17030688Knödler P., Dreissigacker V. Fluid Dynamic Assessment and Development of Nusselt Correlations for Fischer Koch S Structures //Energies. – 2024. – Т. 17. – №. 3. – С. 688. doi.org/10.3390/en17030688Соловьев С.А., Соловьева О.В., Шакурова Р.З., Голубев Я.П. Обзор применения высокопористых ячеистых теплообменников // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2024. Т.26. № 1. С. 165-194. doi:10.30724/1998-9903-2024-26-1-165-194.Solovev SA., Solovevа OV., Shakurova RZ., Golubev YaP. OVERVIEW OF THE APPLICATION OF OPEN CELL FOAM HEAT EXCHANGERS. Power engineering: research, equipment, technology. 2024; 26 (1): 165-194. doi:10.30724/1998-9903-2024-26-1-165-194.Hsieh M. T., Valdevit L. Minisurf–A minimal surface generator for finite element modeling and additive manufacturing //Software Impacts. – 2020. – Т. 6. – С. 100026. doi.org/10.1016/j.simpa.2020.100026Hsieh M. T., Valdevit L. Minisurf–A minimal surface generator for finite element modeling and additive manufacturing //Software Impacts. – 2020. – Т. 6. – С. 100026. doi.org/10.1016/j.simpa.2020.100026Yeranee K. et al. Turbulent Flow Heat Transfer and Thermal Stress Improvement of Gas Turbine Blade Trailing Edge Cooling with Diamond-Type TPMS Structure //Aerospace. – 2023. – Т. 11. – №. 1. – С. 37. doi.org/10.3390/aerospace11010037Yeranee K. et al. Turbulent Flow Heat Transfer and Thermal Stress Improvement of Gas Turbine Blade Trailing Edge Cooling with Diamond-Type TPMS Structure //Aerospace. – 2023. – Т. 11. – №. 1. – С. 37. doi.org/10.3390/aerospace11010037Бадретдинова Г.Р., Калимуллин И.Р., Зинуров В.Э., Дмитриев А.В. Оценка моделей турбулентности при внешнем обтекании нагреваемой трубы // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2023. Т.25. № 2. С. 176-186. doi: 10.30724/1998-9903-2023-25-2-176-186.Badretdinova GR, Kalimullin IR, Zinurov VE, Dmitriev AV. Evaluation of turbulence models in the external flow around the heated pipe. Power engineering: research, equipment, technology. 2023; 25(2): 176-186. doi:10.30724/1998-9903-2023-25-2-176-186.Соловьева О. В., Яфизов Р. Р., Соловьев С. А. Определение эффективной длины пористой структуры при конвективном теплообмене //Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2020. Т. 12. №. 3 (47). С. 113-122.Soloveva OV, Yafizov RR, Solovev SA. THE POROUS STRUCTURE EFFECTIVE THICKNESS DETERMINATION IN THE CASE OF CONVECTIVE HEAT EXCHANGE // KAZAN STATE POWER ENGINEERING UNIVERSITY BULLETIN. – 2020;12;3(47):113-122.Iyer J. et al. Heat transfer and pressure drop characteristics of heat exchangers based on triply periodic minimal and periodic nodal surfaces //Applied Thermal Engineering. – 2022. – Т. 209. – С. 118192. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118192Iyer J. et al. Heat transfer and pressure drop characteristics of heat exchangers based on triply periodic minimal and periodic nodal surfaces //Applied Thermal Engineering. – 2022. – Т. 209. – С. 118192. doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2022.118192Фарахов Т.М., Лаптев А.Г. Mоделирование температурных профилей и эффективности теплообменных аппаратов с интенсификаторами // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2020. Т. 22. № 2. С. 12-18. doi:10.30724/1998-9903-2020-22-1-12-18Farakhov TM, Laptev AG. Modeling of temperature profiles and efficiency of heat transfer equipment with intensifiers. Power engineering: research, equipment, technology. 2020; 22(2):12-18. doi:10.30724/1998-9903-2020-22-2-12-18.Sauermoser-Yri M. et al. On the porosity-dependent permeability and conductivity of triply periodic minimal surface based porous media //journal of materials research and technology. – 2023. – Т. 27. – С. 585-599. doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.242Sauermoser-Yri M. et al. On the porosity-dependent permeability and conductivity of triplyperiodic minimal surface based porous media //journal of materials research and technology. – 2023. – Т. 27. – С. 585-599. doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.09.242

The authors declare that there are no conflicts of interest present.