부분적으로 - 대만백석주식회사

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 7861(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

레이놀즈 수 ReDh = 22.0 × 103에서 판-핀 방열판을 가로지르는 강제 대류 열 전달에 대한 부분적으로 덮인 프랙탈 그리드로 인한 난류의 영향을 수치적으로 실험적으로 조사했습니다. 결과는 부분적으로 덮인 그리드가 더 높은 열 방출 성능을 제공하는 것으로 나타났으며, 부분적으로 덮인 정사각형 프랙탈 그리드(PCSFG)는 그리드가 없는 구성에 비해 Nusselt 수가 43%의 뛰어난 증가를 기록했습니다. 자체 개발한 단일 입자 추적 속도계(SPTV) 시스템을 통한 분석에서는 주기적인 고리 진동에서 약간의 예측성을 제공하는 고유한 "난류 고리" 형성에 대한 결과가 표시되었습니다. PCSFG에 대한 추가 평가를 통해 (i) 높은 유속, (ii) 강한 난류 강도, (iii) 격렬한 흐름 변동, (iv) 작은 난류 길이 규모 및 (v) 증가된 감속 흐름 이벤트의 선호되는 핀 간 흐름 역학이 밝혀졌습니다. . 이러한 특징은 소용돌이 크기의 정확성을 생성하는 다중 길이 규모의 프랙탈 막대 두께의 결합 효과와 핀 간 영역을 관통하는 유리한 후류 흐름 구조를 유도하면서 질량 유량을 높이는 수직 분할에서 비롯되었습니다. 플레이트-핀 배열 내에서 이러한 에너지 소용돌이의 티밍 효과는 PCSFG가 최적 크기에 가까운 변동 주파수 f = 18.5Hz를 달성하면서 강력한 소용돌이 발산 효과를 나타냈습니다. 이러한 특성의 상호 작용은 핀 경계층의 성장을 제한하여 더 높은 효율의 열 전달 시스템을 개발하는 데 커뮤니티에 도움이 되는 뛰어난 열 전달 기능을 제공합니다.

난류는 불규칙하고 예측할 수 없으며 혼란스러운 유체 움직임을 갖는 흐름으로 설명됩니다. 난류의 형성은 입자의 거동과 밀접하게 연관되어 있으므로 유체 일부의 과도한 운동 에너지는 흐름 변동을 약화시키는 점성 효과를 극복할 수 있습니다1. 이는 일상적인 현상에서 접할 수 있으며 질량, 운동량 및 에너지 전달 속도가 증가하는 본질적인 확산 특성으로 인해 혼합 능력이 뛰어납니다. 이러한 혼합 특성은 유동-열 경계층 재구성 및 재편성 확률을 높여 강제 대류를 향상시킵니다. 현재까지 열 전달 지향 흐름 패턴을 밝히기 위해 다양한 접근 방식이 수행되었습니다. 2D 평면형 공간 채우기 그리드의 사용은 특히 유명한 프랙탈 그리드 설계와 같이 선호하는 열-유체 상호 작용을 표현할 때 그리드 형상을 미세 조정하는 가능성으로 인해 터뷸레이터로서의 효율성에 대한 명성이 높아졌습니다.

프랙탈은 크기가 감소하는 자기유사한 기하학적 구조로 구성되어 복잡한 패턴의 반복을 형성합니다2,3. 그 차원은 유클리드 기하학과 다른 비정수 프랙탈 차원 Df를 사용하여 정의되며, 정수 차원 0, 1, 2 및 3은 각각 점, 선, 표면 및 큐브를 나타내는 데 사용됩니다4. 일반적으로 프랙탈 이론은 섬유질 다공성 매체에 대한 설명과 같이 더 미세한 세부 사항으로 거칠기를 모델링하려는 의도로 자연적으로 불규칙하고 무질서한 물체를 설명하는 데 활용됩니다. 최근 고효율 장치에 대한 수요 증가로 인해 프랙탈 패턴이 열 전달 향상 응용 분야에 널리 통합되었습니다. 예를 들어, 시뮬레이션된7 및 실험8 작업에서는 잠열 저장(LHS) 장치의 성능을 향상시키기 위해 프랙탈 나무 모양의 핀을 사용하는 것을 보여주었습니다. 프랙탈 디자인의 통합을 통해 LHS 장치의 에너지 방출 성능이 크게 향상되었음을 보여주었습니다7,8. Hurst와 Vassilicos가 수행한 선구적인 연구를 통해 난류 관리를 위해 2D 평면 프랙탈 터뷸레이터도 도입되었습니다9. 그들의 발견은 난류 생성 및 붕괴 영역의 존재를 제안했으며, 이는 나중에 Mazellier와 Vassilicos가 후류 상호 작용 길이 척도의 함수로 중앙선 흐름 방향 난류 강도를 프로파일링하려는 시도 동안 뒷받침되었습니다. 그리드 매개변수의 미세 조정을 통한 프랙탈 그리드 유도 유체 흐름 교란의 유망한 특성으로 인해 충돌 제트11,12,13, 화염 속도 증가14, 및 에너지 수확15,16.

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>