Физическое моделирование гидравлических характеристик каналов с пространственными решетчатыми структурами

Аннотация

Целью работы является экспериментальное определение гидравлических характеристик и получение обобщенной эмпирической зависимости вязкостного и инерционного коэффициентов сопротивления для каналов с пространственными решетчатыми структурами. Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки эффективных систем охлаждения и термостабилизации теплонагруженных элементов энергетического и радиоэлектронного оборудования, которые работают в условиях высоких тепловых потоков и требуют оптимальных гидравлических характеристик для обеспечения надежной эксплуатации. Представлены результаты физического моделирования, направленного на определение гидравлических характеристик каналов с пространственными решетчатыми структурами в диапазонах значений пористости 0,143--0,749 и числа Рейнольдса 2700--150 000. Экспериментальные данные показали, что в исследованных каналах с увеличением степени пористости потери давления рабочей среды возрастают, что необходимо учитывать при проектировании подобных систем. На основе полученных эмпирических зависимостей определены значения вязкостного и инерционного коэффициентов сопротивления, которые являются ключевыми параметрами для моделирования и прогнозирования потоков рабочего тела в системах с пористыми структурами. Результаты исследования позволили установить диапазон изменения гидравлических характеристик при варьировании степени пористости. Это позволит разработчикам создавать более эффективные и надежные системы охлаждения и термостабилизации, обеспечивая оптимальное сочетание гидравлических и теплообменных характеристик. Такие системы являются ключевыми для энергетических устройств и радиоэлектронного оборудования, где высокие тепловые нагрузки и ограниченные пространства требуют высокоэффективных систем для отвода теплоты

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Лопатин А.А., Габдуллина Р.А., Саетгараев А.А., и др. Физическое моделирование гидравлических характеристик каналов с пространственными решетчатыми структурами. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2025, № 4 (121), с. 96--112. EDN: RPLILT

Литература

[1] Скрипкин А.А. Новый тип радиатора для охлаждения полупроводниковых и микроэлектронных электровакуумных приборов. Старт в науке. XVIII Междунар. конкурс науч.-исслед. и творческих работ учащихся. URL: https://school-science.ru/18/11/53207?ysclid=mcubss1kup124810873

[2] Тупотилова А.В., Гареев Э.И., Беляев А.В. и др. Повышение эффективности теплообменных устройств. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 4 (115), с. 63--76. EDN: WYSOWH

[3] Saghir M.Z., Kerme E.D., Hajialibabei M., et al. Study of the thermal and hydraulic performance of porous block versus gyroid structure: experimental and numerical approaches. Energies, 2024, vol. 17, iss. 4, art. 861. DOI: https://doi.org/10.3390/en17040861

[4] Рыдалина Н.В., Аксенов Б.Г., Степанов О.А. и др. Применение пористых материалов в теплообменных аппаратах системы теплоснабжения. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики, 2020, т. 22, № 3, с. 3--13. DOI: https://doi.org/10.30724/1998-9903-2020-22-3-3-13

[5] Брагин Д.М., Еремин А.В. Исследование тепловых свойств пористых полимерных материалов на основе минимальных поверхностей Шварца. Инженерный вестник Дона, 2023, № 9, с. 619--634. EDN: CFTSYP

[6] Тригорлый С.В. Моделирование тепловых режимов охлаждения полупроводниковых микроэлектронных компонентов. Вопросы электротехнологии, 2022, № 4, с. 48--52. EDN: SRQSUV

[7] Leary M., Mazur M., Williams H., et al. Inconel 625 lattice structures manufactured by selective laser melting (SLM): mechanical properties, deformation and failure modes. Mater. Des., 2018, vol. 157, pp. 179--199. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.06.010

[8] Bajaj P., Hariharan A., Kini A., et al. Steels in additive manufacturing: a review of their microstructure and properties. Mater. Sci. Eng. A, 2020, vol. 772, art. 138633. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msea.2019.138633

[9] Sarabhai S., Letov N., Kibsey M., et al. Understanding the flow and thermal characteristics of non-stochastic strut-based and surface-based lattice structures. Mater. Des., 2023, vol. 227, art. 111787. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2023.111787

[10] Леонтьев А.И., Пилюгин Н.Н., Полежаев Ю.В. и др., ред. Научные основы технологий 21 века. М., Энергомаш, 2000.

[11] Liu X.C., Huang Y., Wang C.-H., et al. Solving steady and transient radiative transfer problems with strong inhomogeneity via a lattice Boltzmann method. Int. J. Heat Mass Tran., 2020, vol. 155, art. 119714. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2020.119714

[12] Hamidi E., Ganesan P., Muniandy S.V., et al. Lattice Boltzmann method simulation of flow and forced convective heat transfer on 3D micro X-ray tomography of metal foam heat sink. Int. J. Therm. Sci., 2022, vol. 172-A, art. 107240. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijthermalsci.2021.107240

[13] Mohamed E.Z., Zhao J., Li W.J., et al. Pore-scale convection-conduction heat transfer and fluid flow in open-cell metal foams: a three-dimensional multiple-relaxation time lattice Boltzmann (MRT-LBM) solution. Int. Commun. Heat Mass Transf., 2021, vol. 126, art. 105465. DOI: https://doi.org/10.1016/j.icheatmasstransfer.2021.105465

[14] Xiao Z., Yang Y., Xiao R., et al. Evaluation of topology-optimized lattice structures manufactured via selective laser melting. Mater. Des., 2018, vol. 143, pp. 27--37. DOI: https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.01.023

[15] Sing S.L., Wiria F.E., Yeong W.Y. Selective laser melting of lattice structures: a statistical approach to manufacturability and mechanical behavior. Robot. Comput. Integr. Manuf., 2018, vol. 49, pp. 170--180. DOI: https://doi.org/10.1016/j.rcim.2017.06.006

[16] Поляев В.М., Майоров В.А., Васильев Л.Л. Гидродинамика и теплообмен в пористых элементах конструкций летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1988.

[17] Белов С.В. Пористые металлы в машиностроении. М., Машиностроение, 1981.

[18] Соловьева О.В., Соловьев С.А., Яфизов Р.Р. и др. Исследование гидродинамики в пористых средах различной геометрии. Научно-технический вестник Поволжья, 2020, № 1, с. 132--134. EDN: HPZYFW

[19] Белов С.В. Вязкостный и инерционный коэффициенты насадок и пористых металлов из сферических частиц. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 1976, № 10, с. 87--90.

[20] Карпович Э.В. Расчет коэффициентов сопротивления пористых вставок для сжимаемой среды. Агротехника и энергообеспечение, 2014, № 1, с. 55--61. EDN: TDWQOP

[21] Попов И.А. Интенсификация теплообмена. Казань, Центр инновационных технологий, 2007.

[22] Башарина Т.А., Левина А.В. Исследование процессов гидродинамики в системах охлаждения жидкостных ракетных двигателей с аддитивными пористыми структурами. Труды МАИ, 2024, № 136. EDN: CJPRPS

[23] Бурков А.С., Рыцарев А.М., Товстоног В.А. и др. Экспериментальная оценка теплофизических характеристик высокотемпературных теплоизоляционных материалов. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2020, № 2 (89), с. 99--116. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2020-2-99-116

[24] Bejan A. Convection heat transfer. Wiley, 2013.

[25] Шарфарец Б.П., Курочкин В.Е. К вопросу о подвижности частиц и молекул в пористых средах. Научное приборостроение, 2015, т. 25, № 4, с. 43--55. EDN: UXLFPP

[26] Толпаев В.А., Ахмедов К.С., Гоголева С.А. Нелинейные законы фильтрации однокомпонентных флюидов при больших скоростях потоков. Известия вузов. Нефть и газ, 2015, № 5, с. 83--89. DOI: https://doi.org/10.31660/0445-0108-2015-5-83-89

[27] Пелевин Ф.В. Гидравлическое сопротивление пористых металлов. Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2016, № 2, с. 42--52. EDN: VKQDNL

[28] Демидова А.М., Абрамов А.А., Тарасова Н.П. и др. Гидравлическое сопротивление пористых материалов. Научно-технический вестник Поволжья, 2022, № 12, с. 104--107. EDN: DHVZMH

[29] Deeb R., Sidenkov D.V. Numerical investigation of thermal-hydraulic performance of circular and non-circular tubes in cross-flow. Herald of the Bauman Moscow State Technical University, Series Natural Sciences, 2021, no. 2 (95), pp. 102--117. DOI: http://dx.doi.org/10.18698/1812-3368-2021-2-102-117