Исследование аэродинамических процессов в пористых материалах на основе трижды периодических минимальных поверхностей

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.

1. Gürel 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.2020.115309

2. Attarzadeh 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.2022.118448

3. Рыдалина 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:10.30724/1998-9903-2020-22-3-3-13

4. 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.

5. 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:10.30724/1998-9903-2022-24-3-55-69

6. Yeranee 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/en15238994

7. Alteneiji 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.2022.04.005

8. Qiu 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.2023.108657

9. Соловьева 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.

10. 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.2024.107292

11. Dharmalingam L. K., Aute V., Ling J. Review of triply periodic minimal surface (TPMS) based heat exchanger designs. – 2022.

12. 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.2022.123090

13. Wang 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.2023.116955

14. Knödler 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/en17030688

15. Соловьев 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.

16. 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.2020.100026

17. Yeranee 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/aerospace11010037

18. Бадретдинова 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.

19. 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.

20. 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.2022.118192

21. Фарахов 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:10.30724/1998-9903-2020-22-1-12-18

22. 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.2023.09.242