Numerical Study of the Heat Transfer Characteristics of a Heat Exchanger Based on the Triply Periodic Minimal Surface Primitive

Capa

Citar

Texto integral

Acesso aberto Acesso aberto
Acesso é fechado Acesso está concedido
Acesso é fechado Somente assinantes

Resumo

Heat exchange devices based on triply periodic minimal surfaces (TPMS) demonstrate a significant increase in heat transfer compared to traditional heat exchangers of the same volume. However, most studies focus on modeling individual sections rather than the entire heat exchanger. In this study, a full-scale heat exchange device based on the Primitive surface with inlet and outlet manifolds was modeled. Numerical simulation was used to determine the flow pattern within the heat exchanger based on the Primitive surface. The proposed implementation of manifolds for flow distribution contributed to an increase in the Nusselt number by up to 80% and a reduction in the friction factor by up to 200%. An increase in the Reynolds number leads to a decrease in friction coefficients and an increase in Nusselt numbers; however, the overall performance indicator j/f for TPMS decreases with increasing Re. This study highlights the significant potential of using such a structure as a two-phase heat exchanger in thermal management systems.

Sobre autores

D. Bragin

Samara State Technical University

Autor responsável pela correspondência
Email: dimabragin2204@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0002-9835-0206
junior researcher Samara

R. Mustafin

Samara State Technical University

Email: dimabragin2204@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0003-3784-2829
senior lecturer, PhD Samara

S. Zinina

Samara State Technical University

Email: dimabragin2204@yandex.ru
ORCID ID: 0009-0002-9104-1336
junior researcher Samara

A. Popov

Samara State Technical University

Email: dimabragin2204@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0001-5014-8167
associate professor, PhD Samara

A. Eremin

Samara State Technical University

Email: dimabragin2204@yandex.ru
ORCID ID: 0000-0002-2614-6329
vice-rector for research, doctor of engineering, associate professor Samara

Bibliografia

  1. Li Q. et al. Compact heat exchangers: A review and future applications for a new generation of high temperature solar receivers // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2011. Vol. 15. No 9. P. 4855–4875.
  2. Shah R.K. Advances in science and technology of compact heat exchangers // Heat Transfer Engineering. 2006. Vol. 27. No 5. P. 3–22.
  3. Kasim K. et al. Advanced heat transfer devices for aerospace applications // ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition. American Society of Mechanical Engineers. 2017. Vol. 58431. P. V008T10A027.
  4. Sabharwall P. et al. Advanced heat exchanger development for molten salts // Nuclear Engineering and Design. 2014. Vol. 280. P. 42–56.
  5. Da Silva R.P.P. et al. Discretized and experimental investigation of thermo-hydraulic behavior in a compact heat exchanger manufactured via SLM process // Thermal Science and Engineering Progress. 2023. Vol. 46. P. 102184.
  6. Liao J. et al. Effect of operating conditions on the output performance of a compact TEG for low-grade geothermal energy utilization // Applied Thermal Engineering. Vol. 236. P. 121878.
  7. Tsai Y.C., Liu F.B., Shen P.T. Investigations of the pressure drop and flow distribution in a chevron-type plate heat exchanger // International communications in heat and mass transfer. 2009. Vol. 36. No 6. P. 574–578.
  8. Gürel B. et al. Investigation on flow and heat transfer of compact brazed plate heat exchanger with lung pattern // Applied Thermal Engineering. 2020. Vol. 175. P. 115309.
  9. Кирсанов Ю.А., Иванова Е.И. Тепловой расчет пластинчатого теплообменника с пористыми вставками // Известия Российской академии наук. Энергетика. No 5. С. 80–89.
  10. Леонтьев А.И., Олимпиев В.В. Теплофизика и теплотехника перспективных интенсивфикаторов теплообмена (обзор) // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2011. No 1. С. 7–31.
  11. Gu X. et al. Detailed characteristics of fluid flow and its effect on heat transfer in shell sides of typical shell-and-tube heat exchangers // International Journal of Thermal Sciences. 2022. Vol. 173. P. 107381.
  12. 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. Vol. 212. P. 118448.
  13. Balaji T. et al. Enhanced heat transport behavior of micro channel heat sink with graphene based nanofluids // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 117. P. 104716.
  14. Kim J., Yoo D.J. 3D printed compact heat exchangers with mathematically defined core structures // Journal of Computational Design and Engineering. 2020. Vol. 7. No 4. P. 527–550.
  15. Jiang Y. et al. Meshless optimization of triply periodic minimal surface based two-fluid heat exchanger // Computer-Aided Design. 2023. Vol. 162. P. 103554.
  16. Li W., Yu G., Yu Z. Bioinspired heat exchangers based on triply periodic minimal surfaces for supercritical CO cycles // Applied Thermal Engineering. 2020. Vol. 179. P. 115686.
  17. Mahmoud D. et al. Enhancement of heat exchanger performance using additive manufacturing of gyroid lattice structures // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2023. Vol. 126. No 9. P. 4021–4036.
  18. Attarzadeh R., Rovira M., Duwig C. Design analysis of the “Schwartz D” based heat exchanger: A numerical study // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 177. P. 121415.
  19. Reynolds B.W. et al. Characterisation of heat transfer within 3D printed TPMS heat exchangers // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 212. P. 124264.
  20. Wang J. et al. Assessment of flow and heat transfer of triply periodic minimal surface based heat exchangers // Energy. 2023. Vol. 282. P. 128806.
  21. 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. Vol. 152. P. 107292.
  22. Брагин Д.М., Мустафин Р.М., Попов А.И., Зинина С.А., Еремин А.В. Исследование аэродинамических процессов в пористых материалах на основе трижды периодических минимальных поверхностей // Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2024. Vol. 26. No 5. С. 66–78.
  23. Cheng Z., Xu R., Jiang P.X. Morphology, flow and heat transfer in triply periodic minimal surface based porous structures // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. Vol. 170. P. 120902.
  24. 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. Vol. 15. No 23. P. 8994.
  25. Alteneiji M. et al. Heat transfer effectiveness characteristics maps for additively manufactured TPMS compact heat exchangers // Energy Storage and Saving. 2022. Vol. 1. No 3. P. 153–161.
  26. Qiu N. et al. Experimental and numerical studies on mechanical properties of TPMS structures // International Journal of Mechanical Sciences. 2024. Vol. 261. P. 108657.
  27. Dixit T. et al. High performance, microarchitected, compact heat exchanger enabled by 3D printing // Applied Thermal Engineering. 2022. Vol. 210. P. 118339.
  28. Oh S.H. et al. Functional morphology change of TPMS structures for design and additive manufacturing of compact heat exchangers // Additive Manufacturing. 2023. Vol. 76. P. 103778.
  29. Samson S., Tran P., Marzocca P. Design and modelling of porous gyroid heatsinks: Influences of cell size, porosity and material variation // Applied Thermal Engineering. Vol. 235. P. 121296.
  30. Liang D. et al. Design, flow characteristics and performance evaluation of bioinspired heat exchangers based on triply periodic minimal surfaces // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 201. P. 123620.
  31. Moradmand M.M., Sohankar A. Numerical and experimental investigations on the thermal-hydraulic performance of heat exchangers with Schwarz-P and gyroid structures // International Journal of Thermal Sciences. 2024. Vol. 197. P. 108748.
  32. Qureshi Z.A. et al. Heat transfer performance of a finned metal foam-phase change material (FMF-PCM) system incorporating triply periodic minimal surfaces (TPMS) // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2021. 170. P. 121001.
  33. 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. Vol. 209. P. 118192.
  34. Yan G. et al. Experimental study on flow and heat transfer performance of triply periodic minimal surface structures and their hybrid form as disturbance structure // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 147. P. 106942.
  35. Tang W. et al. Analysis on the convective heat transfer process and performance evaluation of Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) based on Diamond, Gyroid and Iwp // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 201. P. 123642.
  36. Yan K. et al. Numerical investigation into thermo-hydraulic characteristics and mixing performance of triply periodic minimal surface-structured heat exchangers // Applied Thermal Engineering. 2023. Vol. 230. P. 120748.
  37. Femmer T., Kuehne A.J.C., Wessling M. Estimation of the structure dependent performance of 3-D rapid prototyped membranes // Chemical Engineering Journal. 2015. Vol. 273. P. 438–445.
  38. Gao S. et al. Numerical and experimental investigation of additively manufactured shell-lattice copper heat exchanger // International Communications in Heat and Mass Transfer. 2023. Vol. 147. P. 106976.
  39. Catchpole-Smith S. et al. Thermal conductivity of TPMS lattice structures manufactured via laser powder bed fusion // Additive Manufacturing. 2019. Vol. 30. P. 100846.
  40. Брагин Д.М., Еремин А.В. Исследование эффективной теплопроводности материалов, основанных на трижды периодических минимальных поверхностях типа Diamond, Gyroid, Fisher-Koch S // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2025. No 1. P. 31–47. https://doi.org/10.31857/S0002331025010031
  41. 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. Vol. 194. P. 123090.
  42. Knödler P., Dreissigacker V. Fluid Dynamic Assessment and Development of Nusselt Correlations for Fischer Koch S Structures // Energies. 2024. Vol. 17. No 3. P. 688.
  43. Shi J. et al. Study on Performance Simulation of Vascular-like Flow Channel Model Based on TPMS Structure // Biomimetics. 2023. Vol. 8. No 1. P. 69.
  44. Wang J. et al. Numerical and experimental investigation of additive manufactured heat exchanger using triply periodic minimal surfaces (TPMS) // Thermal Science and Engineering Progress. 2024. Vol. 55. P. 103007.
  45. Bragin D.M., Popov A.I., Eremin A.V. The thermal conductivity properties of porous materials based on TPMS // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2024. Vol. 231. P. 125863.
  46. 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. Vol. 283. P. 116955.
  47. Zeng C., Wang W. Modeling method for variable and isotropic permeability design of porous material based on TPMS lattices // Tribology International. 2022. Vol. 176. P. 107913.
  48. Карташов Э.М., Крылов С.С. Модельные представления теории теплового удара вязкоупругих тел // Известия РАН. Энергетика. 2024. No 5. С. 59–73.
  49. Каганович Б.М., Воропай Н.И., Стенников В.А. Проблема незамкнутости термодинамики в системном энергетическом анализе // Известия Российской академии наук. Энергетика. 2016. No 5. С. 57–66.
  50. Vidin Y.V., Kazakov R.V. Heat Transfer under Laminar Flow of Liquid in a Round Pipe // Bulletin of the Russian Academy of Sciences. Энергетика. 2024. No 1. P. 47–53.
  51. Zinina S. et al. Mathematical modeling of thermal conductivity in a porous medium with an ordered macrostructure // Journal of Mathematical Sciences. 2025. P. 1–10.
  52. Luo J.W. et al. Macroscopic transport properties of Gyroid structures based on pore scale studies: permeability, diffusivity and thermal conductivity // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2020. Vol. 146. P. 118837.
  53. Xu H. et al. Flow and heat transfer performance of bionic heat transfer structures with hybrid triply periodic minimal surfaces // Applied Energy. 2023. Vol. 351. P. 121847.
  54. Bragin D., Karpilov I., Pashchenko D. Flow dynamics through cellular material based on a structure with triply periodic minimal surface // Chemical Engineering Science. Vol. 298. P. 120291.

Arquivos suplementares

Arquivos suplementares
Ação
1. JATS XML
Baixar

Declaração de direitos autorais © Russian Academy of Sciences, 2025

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».