Language
Parzialmente
CasaCasa > Notizia > Parzialmente
ULTIME NOTIZIE

Parzialmente

May 16, 2023

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 7861 (2022) Citare questo articolo

625 accessi

Dettagli sulle metriche

Gli impatti delle griglie frattali parzialmente coperte hanno indotto turbolenza sul trasferimento di calore convettivo forzato attraverso il dissipatore di calore con alette al numero di Reynolds ReDh = 22,0 × 103 sono stati studiati numericamente e sperimentalmente. I risultati hanno mostrato che le griglie parzialmente coperte offrono prestazioni di dissipazione termica più elevate, con la griglia frattale quadrata parzialmente coperta (PCSFG) che registra un aumento eccezionale del 43% nel numero di Nusselt rispetto alla configurazione senza griglia. L'analisi tramite un sistema SPTV (Single Particle Tracking Velocimetry) sviluppato internamente ha mostrato i risultati di una formazione unica di "Turbulence Annulus", che ha fornito un piccolo grado di predittività nelle oscillazioni periodiche dell'anello. Ulteriori valutazioni sul PCSFG hanno rivelato le dinamiche di flusso inter-fin preferite di (i) elevata velocità del flusso, (ii) forte intensità di turbolenza, (iii) vigorose fluttuazioni del flusso, (iv) piccola scala di lunghezza della turbolenza e (v) eventi di flusso decelerato intensificati . Queste caratteristiche derivavano dagli effetti di accoppiamento degli spessori delle barre frattali su scala multilunghezza nel generare una veridicità delle dimensioni dei vortici e da una segmentazione verticale che produceva una portata di massa aumentata inducendo strutture di flusso di scia favorevoli a penetrare nelle regioni inter-fin. Gli effetti brulicanti di tali vortici energetici all'interno della matrice di piastre e alette hanno rivelato un potente effetto di distacco dei vortici, con PCSFG che ha raggiunto una frequenza di fluttuazione f = 18,5 Hz vicina a una magnitudo ottimale. La coazione di tali tratti limita la crescita degli strati limite delle alette, fornendo capacità di trasferimento termico superiori che avvantaggiano la comunità nello sviluppo di sistemi di trasferimento di calore ad alta efficienza.

Le turbolenze sono descritte come flussi che possiedono movimenti fluidi irregolari, imprevedibili e caotici. La formazione di turbolenza è strettamente legata al comportamento delle particelle, per cui l'energia cinetica eccessiva in porzioni di fluido è in grado di superare gli effetti di viscosità che smorzano le fluttuazioni del flusso1. Si incontra nei fenomeni di tutti i giorni e ha grandi capacità di miscelazione dovute alle caratteristiche diffusive intrinseche di aumento della velocità di trasporto di massa, quantità di moto ed energia. Tali proprietà di miscelazione hanno aumentato la ricostruzione degli strati limite flusso-termici e la probabilità di rimescolamento, migliorando così la convezione forzata. Fino ad oggi sono stati condotti numerosi approcci per svelare i modelli di flusso orientati al trasferimento di calore. L'uso di griglie planari di riempimento dello spazio 2D ha visto un aumento della reputazione per la sua efficacia come turbolatore, grazie alla fattibilità della messa a punto delle geometrie della griglia nell'espressione di un'interazione termofluida preferita, in particolare i rinomati design della griglia frattale.

I frattali sono costituiti da strutture geometriche auto-simili che diminuiscono di dimensione, formando iterazioni di modelli complessi2,3. La sua dimensione è definita utilizzando dimensioni frattali non integrali Df, che sono diverse dalla geometria euclidea, per cui le dimensioni intere 0, 1, 2 e 3 sono utilizzate per rappresentare rispettivamente punti, linee, superfici e cubi4. Di solito, le teorie frattali vengono utilizzate per descrivere oggetti di natura irregolare e disordinata, con l'intenzione di modellare la rugosità con dettagli più fini, come la descrizione di mezzi fibrosi porosi5,6. Recentemente, i modelli frattali sono stati ampiamente integrati nelle applicazioni di miglioramento del trasferimento di calore a causa della crescente domanda di dispositivi ad alta efficienza. Ad esempio, lavori simulati7 e sperimentali8 hanno dimostrato l'uso di alette a forma di albero frattale per migliorare le prestazioni di un'unità di accumulo del calore latente (LHS). È stato dimostrato che le prestazioni di scarica energetica dell'unità LHS erano state significativamente aumentate attraverso l'incorporazione di disegni frattali7,8. Sono stati introdotti anche turbolatori frattali planari 2D per la gestione della turbolenza, con lo studio pionieristico condotto da Hurst e Vassilicos9. I loro risultati hanno proposto l'esistenza di una produzione di turbolenza e di regioni di decadimento, che è stata successivamente supportata da Mazellier e Vassilicos, durante il loro tentativo di delineare l'intensità della turbolenza lungo la linea centrale in funzione della scala della lunghezza dell'interazione della scia10. A causa della natura promettente della perturbazione del flusso di fluido indotta dalla griglia frattale attraverso la regolazione fine dei parametri della griglia, si ritiene che possa essere implementata in una varietà di lavori, che includono ma non sono limitati all'impatto di getti11,12,13, all'aumento della velocità della fiamma14, e raccolta di energia15,16.

 U(PCRG), and U(SFG) > U(RG). It is renowned that the implementation of turbulator allows the acceleration of air flow due to the sudden contraction of flow passage. The introduction of a vertically aligned separation in the partially-covered grids promotes mid-plane jet formations, owing to the principle of mass conservation. Such separation effectively reduces the undesirable fluid bypass around the plate-fins, and forcefully regulates the working fluid to penetrate inter-fin regions. In addition, the accelerated airflow in between the fin array enforces greater wall shear stress along fin surfaces, which limits the growth of viscous sub-layer, thus effectively enhancing forced convection./p> Nu(PCRG)./p> 381.1 m2s−2. The pronounced v’ and w’ give rise to greater development of A, suggesting a larger area of flow boundary is being agitated at the localized inter-fin region, thus poses a unique advantage in supporting potent thermal dissipation. In addition, Fig. 5d, e showed that the fractal designs (SFG and PCSFG) generally produces greater variety of flow fluctuation as compared to the regular designs (RG and PCRG). The finding is crucial as it further supports the concept of PCSFG induced flows are capable to inherit turbulence features similar to that of SFG, whereby multilength-scale eddies are generated from the multitude fractal bar thicknesses and filtered within the fins. With the amalgamation of such feature and the added benefit of accelerated centreline airflow, PCSFG would induce highly effective turbulence structures in enhancing forced convective heat transfer, which is exceptionally suitable for localize cooling applications./p> the ensemble average. The L generated from the different 2D-planar grids are rationalized with δ, i.e. L/δ and is shown in Fig. 5c./p> Nu(RG), and could be enforced through the realization of smaller L(x)/δ. By considering vortices rotating in the X–Z plane, the dwindling L(x)/δ increases the vortices’ angular velocity around y-direction ωy, but in turns extending the vortex line laterally due to the conservation of angular momentum, i.e. vortex stretching. The elongation of vortex structures thus effectively interacts and disrupts the fins’ boundary layer. Similar findings were reported in Hoi et al.27, and it warrants the benefits of smaller L(x)/δ in enhancing heat transfer, as it encourages larger L(y)/δ formation to interrupt fins’ flow boundary layer more effectively. The implication concurred closely with RG induced L, yet poses an opposite effect of streamwise elongation, which directs the flow energy to undesired intermediate regime that lessened boundary layers’ agitation probabilities./p> 0, K > 3) are recorded for the former, and (|S|> 0, K < 3) for the latter duo. The ± S achieved by SFG implies extreme decelerated turbulent events documented in the (x, y) directions, along with turbulent accelerations in z-direction. These accelerations are considered to be rare and intensive, as indicated with the high positive K > 3. Interestingly, similar S developments are recorded for the partially-covered grids, but vastly disparate in K as evident from Fig. 8b. The realization of K ≈ 2 for PCRG and PCSFG depicts an increase in likelihood for the extreme decelerated (ax, ay) turbulent events, which could very well imply the high occurrences of alternating flow directions that escalates to the formation of copious vortices./p> Nu(SFG), even though the numeral polarity of S registered similarity. Conversely, NG and RG demonstrated moderate flow circulations, hence the low Nu. In general, the extreme decelerated flow events are capable of forming intense flow vortices, which is beneficial in disruption of fins’ boundary layer. Further research is still required to uncover the S and K profiles at different inter-fin locality, in order to uncover the overall flow structures that are preferable for maximising forced convection of plate-fin heat sink./p> PCRG. The phenomenon may imply that partially-covered grids are capable of generating broad array of high energy multilength scale eddies through (i) first stage grid-separation induced turbulence and (ii) second stage plate-fin eddies filtration for an intense vortex shedding process. As PCSFG comprised of different fractal bar thicknesses, there would be greater variations in eddies length scale, hence ampler variety of frequencies. Contrariwise, utilization of fully-covered grids masked the powerful vortex shedding effect, and is further subdued under NG configuration. The usage of SFG generates substantial turbulence intensity at centreline of x/Dh = 0.125, and one would infer that the energy level would be greater than RG, as I(SFG) > I(RG). However, the presence of largest grid bar on SFG produces sizeable wake with substantial flow recirculating in it. This causes the breaking of vortical structures which creates a less pronounce vortex shedding formation28. Even so, SFG prominent heat transfer, viz. Nu(SFG) > Nu(RG) is due to the effective distribution of flow kinetic energy in agitating fins’ boundary layer, as indicated by the wider spread of particle trajectory, especially in the spanwise direction. As for NG, the flow momentum is greatly sabotaged, causing the vortex shedding and energy level to subside. Surprisingly, the energy profile demonstrated by NG and RG are very much identical, revealing the impact of 2D planar grids in raising the preferable flow energy levels for forced convective heat transfer./p>