חידוש של ערוץ גיאומטריה: קידום ניהול התרמומאלי במערכות מתקדמות

ערוצי קירור רגנרטיביים הם אבן הפינה של ניהול תרמי בחלק מהסביבות המהנדסות התובעניות ביותר: תאי מנוע טילים, טורבינות גז, ליבות כורים גרעיניים ומערכות לייזר בעוצמה גבוהה.ביישומים אלה, גלי החום יכולים לעלות על עשרות מגה-וואט למטר רבוע, הדורשים מערכות קירור מתקדמות יותר ויעילות יותר.

חידושים של ערוצים מגניבים

העיקרון הליבה של קירור רגנרטיבי הוא פשוט: נוזל זורם דרך ערוצים משובצים מרכיב בעל עומס חום, נושא אנרגיה תרמית ובכך שמירה על הטמפרטורה של הרכיב בתוך גבולות בטוחים.הקרר הוא בדרך כלל אותו נוזל אשר מאוחר יותר ישמש עבור הכפייה או הנטועה, כך שהוא מרוויח אנרגיה תרמית בעת קירור המבנה - סינרגיה סגורה כי משפרת את היעילות הכוללת של המערכת.

העברה חמה בתוך ערוצים רגנרטיביים נשלטת על ידי הדבקה, כמו גם על ידי התנהגות דרך קירות הערוץ.משטר הזרמה -laminar, מעבר, או טורב - יש השפעה עמוקה על ביצועים מסורתיים חלקים חלקים חלקיים במשטר laminar מניבים זרמי קוגניציה נמוכים ואפקטים טמפרטורה חמורים. כדי להשיג חום גבוה יותר, מעצבים באופן מכוון לגרום להפרעות, אבל זה גם מגביר את הלחץ המקובל על ידי הנשימה, ולכן הוא שמירה על תפקוד הגבול העליון של התנועה; ואפקטים של התנועה הבסיסית (כלומר, כלומר, לחץ הדם) ואפקטים של המערכת הבסיסית, היא שמירה על תפקוד הגבול, כלומר, כלומר, היא לחץ הדם הקדמית, היא שמירה על מורכבות, כמו גם כן, לחץ הדם).

גיאוגרפיות מסורתיות וגבולותיהן

היסטורית, ערוצי קירור מחדש נועדו עם ג'ממות פשוטות: מלבני, מעגלי, או מלכודות צלב.צורות אלה הן פשוטות לייצור באמצעות מילימטרים קונבנציונליים, קידוח, או תהליכי EDM, והם מציעים מאפיינים צפויים של לחץ על-ידי פענוח לחץ.עם זאת, הם באים עם חסרונות טמונים טמונים המסתימים את הביצועים התרמיים שלהם.

ערוצים טריטוריאליים ומרחביים

ערוצים ctangular, המשמש לעתים קרובות במנועי טילים Nozzle קורס, לספק שטח גבוה יחסית נפח ליחידה אבל סובלים מהפרדה זרימה חמורה בפינות.זה מוביל כתמים חמים מקומיים שבו הקריר הוא stagnant, במיוחד בפינות התעלה רחוק יותר מן הזרם הגדול של ערוצי מחזור לחסל השפעות פינה אבל להציע שטח פחות שטח עבור אזור חוצה שטח נתון, חלקה שלהם וחומותיהם לקדם שקע יציב כמכשול.

לחץ נופל לעומת העברת חום

כל הגיאומטריה המסורתית מתמודדת עם מסחר יסודי: מהירות זרימת מוגברת מעלה את המקדם של העברת החום, אבל גם מגביר את הלחץ ירידה חד-משמעית.ביישומים התחממות גבוהה, מהנדסים נאלצים לפעול במספרים עתירי גבוה, תוך שמירה על עונשים גדולים יותר, ערוצים פשוטים לא יכולים לקדם את תערובת חוצה-זרם הדרוש כדי לשבור את שכבת הגבול התרמית.

חומרים וייצור Constraints

טכניקות ייצור לאות מגבילות את המורכבות של צורות ערוץ.קליד ערוצים, סנפירים פנימיים, וחילופים משתנים-שטחיים הם קשים או בלתי אפשריים לייצר עם מילימטר רגיל או קידוח.זה יש מעצבים מוגבלים מבחינה היסטורית לערוצים קבועים, קבועים-cross-cross-cross-סעיף.הההההתחילה של ייצור התוסף עכשיו הסרת המגבלות הללו, אך במשך עשרות שנים המרחב העיצובי היה מוגבל למעשה לכמה צורות בסיסיות.

Geometries for Enhanced Heat Transfer

מחקר חדש, המופעל על ידי יכולות חישוביות חדשות ושיטות ייצור מתקדמות, הפיק מגוון עשיר של ג'ממות ערוץ כי באופן משמעותי עיצובים מסורתיים מפורשים. חידושים אלה ניתן לחלק לתוך מספר קטגוריות בהתבסס על המנגנון הבסיסי שלהם: שטח פני השטח מוגברת, זרמי משני המושרה, או זעזוע משופר.

ערוצים

הוספת fines - ב protrusions מן הקיר הערוץ - מזרז את שטח פני השטח של מעבר חום זמין ללא הגדלת שטח חצי-שטח של הערוץ. Fins יכול להיות ארוך-itudinal (מופץ עם הזרם) או transverse (תוספת לזרם) יכול רק כדי לשפר את העברת חום על ידי הרחבת perimeter רטוב, אבל הם גם להגדיל את השכבה מלבנית (R) או מטבולית (בצורה מלאה) כמו גם לשפר את רוחב 1Crecsolts)

ערוצים מעופפים והססים

(החלל או מעוותים מציג את הייבוש אשר מייצר זרמים משניים - Dean vortics - אשר מפיץ נוזל מן הליבה לקיר.הזרמים המשניים האלה משפרים מאוד את תערובת חוצה הזרם, צמצום ⁇ טמפרטורה רדיואקטיבית 3: 3 ולהגדיל את הפחתת חום מקומי בתדירות גבוהה יותר של קירור CV2, אך לא יכול להגדיל את קצב חימום אחיד של 1 ליטר חום, אם כי הוא יכול להגדיל את זהה של 2 ליטר חום, 000) עם פחות מטווח של מחזורי תיבות של מחזורי תיבות של מחזורי לחץ חזק יותר של קירור.

קרינת מיקרו ערוצים

(הפחתת הקוטר ההידראוליקל לגודל תת-מילימטר מגדילה באופן דרמטי את היחס בין פני השטח למנהרה (מיקרו-ערוצית) למערך מיקרו-מילימטרי טיפוסי של 100–500 מיקרומטר, יכולה להתפזר משטף חום העולה על ה-FLT:01 קילוואט/2FLT:1 באפליקציות קירור שונות, מיקרו-ערוצים מאפשרים החלפת חום מאוד, אך הם גם כן כוללים מגבלות מיקרו-מדבקות, אך הן רגישות, אך הן כוללות את המשתנים, אך ורק למהירויות של מיקרו-FLT2FLT2FLT:1 באפליקציות.

ערוצים מבוימים ומפוברקים

(המכונים גם turbulators) הם מכשולים תקופתיים המוצבים על קירות הערוץ כדי לזרז את שכבת הגבול ולקדם מעבר להפרעות.ערוצים מחוסנים כוללים קירות גליים אשר מעוררים הפרדה והתחדשות, ומייצרים משככי חום מקומיים גבוהים באזורי השיקום - 3 גרם לשיפור רוחב וגובה של צלעות (או אורך הגל ונפיחות של קוגניציה) הם מעל 20% מ"ממים"מים" (או שיפור חלקיים) של קיבולת חלקית.

במקור: Manufactured Lattice ו- Gyroid Structures

(א) ייצור אדקטיבית (AM) פתח את האפשרות של הטמעת מעברים מורכבים, בצורת אורגנית דמויי אורגנום, שהיו בלתי אפשריים בעבר להדפס. מבנים Lattice, משטחים מינימליים זמניים (למשל, גירואידים), וערוצי טופולוגיה-אופטימיים יכולים להיות נועדו לעקוב אחר חלוקת גלי החום, שינוי שטח, משטחים ומרקמים מקומיים אלה.

היתרונות של חדשנות גיאומטרית

המעבר מערוץ פשוט למורכב ג'ממט'ס מניב ארבעה יתרונות עיקריים שמטפלים ישירות במגבלות העיצובים הישנים:

  • (FLT:0)Enhanced Heat TransferFLT:1ir - על ידי הגדלת זעזוע, שטח פני השטח, ותערובת חוצה-זרם, גיאוגרפיות חדשניות לספק מספרים 2-5 פעמים גבוה יותר מאשר ערוצים חלקה.זה מאפשר את אותו עומס חום להיות הוסר עם שערי זרימה נמוכים יותר או ⁇ טמפרטורה קטנה יותר.
  • (FLT:0) ,Reduced Materials StressFLT:1 - יותר אחידה מיצוי חום מפחית ⁇ s תרמיים על פני הקיר הרכיב. ⁇ s תרמי נמוך יותר פירושו מתח תרמי נמוך, אשר קריטי למניעת סדקים ועייפות בסגסוגת עתירה גבוהה. עבור קווי מנוע רקטות, זה יכול להאריך את חיי השירות על ידי גורם של שניים או יותר.
  • (FLT:0)Compact ו- Light Weight DesignsFIRLT:1) - שיפור העברת חום מאפשר למעצבים להשתמש בערוצים קצרים יותר או פחות מעברים מקבילים. עבור יישומים אווירוקל, כל קילוגרם של מסה מערכת קירור הציל תרגם ישירות לקיבולת עומס גבוה או צריכת דלק מופחתת.
  • (FLT:0) ,Extended Component LifespanFLT:1 ), טמפרטורות הפעלה נמוכות יותר ונזקי רכיבה תרמיים מופחתים מאפשרים רכיבים לשרוד מחזורי חובה נוספים.זה חשוב במיוחד במנועי טילים הניתנים לחזרה, שבו עמידותו של ערוץ הקירור קובעת את מספר הטיסות החוזרות בין חידושים.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות היתרונות ברורים, יישום ערוצי קירור מתקדמים מגיע עם מכשולים משמעותיים כי חוקרים ומהנדסים עובדים באופן פעיל כדי להתגבר.

ייצור מורכבות ועלויות

מורכב גיאוגרפיות פנימיות - כגון סלילים helical, מערך microchannels, ומבנים lattice - יקרים לייצר עם שיטות קונבנציונליות. בעוד ייצור תוספת (במיוחד לייזר אבקת היתוך ואלקטרוני-beamהיתוך) הפך את זה אפשרי ליצור צורות אלה בסופר-עלולים ואפילו קרמיקה, התהליך הוא עדיין איטי ויקר.

ביצוע חומרים ומבצע פיתוי גבוה

ערוצי קירור רגנרטיביים חשופים לטמפרטורות קיצוניות (לעתים מעל 1,000 מעלות צלזיוס בצד הגז החם) ולחץ גבוה.חומר הערוץ חייב להיות עמיד בפני חמצון, קורוזיה, ומצמר. הרבה גמסטרים מתקדמים מסתמכים על סנפירים דקים או רצועות צרות כי ניתן עדיין להיות נוטה לשחיקה או עיוות תרמי.

מודלים ואופטימיזציה

עיצוב סימולציות אופטימליות ערוץ גיאמטריה דורש דינמיקות נוזליות גבוהה (CFD) סימולציות לפתרון שכבות גבול וזרמים משניים.סימולציות אלה הן אינטנסיביות חישובית, במיוחד עבור מספר גדול של משתנים עיצוב המעורבים אופטימיזציה טופולוגית.מודלים למידת מכונות מתפתחת כדרך להאיץ את תהליך העיצוב, אך הם דורשים נתונים הכשרה נרחבים ואימות.

כיוונים עתידיים בגיאומטריה ואינטגרציה

במבט קדימה, מספר מסילות מחקר מבטיחות במיוחד:

  • (FLT:0) אופטימיזציה של טופולוגיה המונעת על ידי מטרות מרובות-פיזיקה (IMF) 1 (סימול: הפחתה של לחץ ממזערית וממקסמת העברת חום, תוך התחשבות בחוזק מבני ובמגבלות של יכולת אנושית.
  • (FLT:0) אסטרטגיות קירור היברידיות של Hybrid:1ve) - שילוב ערוצים רגנרטיביים עם קירור סרט או שטף קירור בצד הגז החם, עם הגיאומטריה הערוץ המותאמים להתפלגות גלימת חום מקומית.
  • (ב) ⁇ :0) ,Nanofluid CoolantsFLT:1 - חלקיקים מתועדים בקור רוח כדי לשפר את התנהגותם התרמית, בשילוב עם ערוצים ממוטבים גיאומטריים.
  • (FLT:0) שליטה קולקטיבית על חלוקת זרימה של תפוצה:1אנדרה (בשילוב של תוספי ג'יאומטריה משתנה או מיקרו-valves כדי להתאים את קצב זרימת הקרירה באזורים שונים של ערוצים בתגובה ניטור טמפרטורה בזמן אמת.

ייצור תוספתי ימשיך להיות המאפשר הראשי, שכן המדפסת הופכת מהירה יותר, זולה יותר ומסוגלת לתכונות בסדר יותר.היכולת להדפיס ערוצי קירור במרכיבים מונוליטיים אחרים – כגון להבים טורבינות מגניבים או תאי דחף טילים - ככל הנראה תהפוך לפרקטיקה סטנדרטית בעתיד הקרוב.

מסקנה

חידושים בערוץ קירור רגנרטיבי מייצגים קפיצת משמעותית בניהול תרמי עבור מערכות הנדסה ביצועים גבוהים.על ידי מעבר לצורות מלבניות או מעגליות פשוטות ולחבק סנפירים, מסלולים הידליים, מערךי מיקרו ערוצים, משטחים מעוקלים, ובאופן מצטבר מיוצרת מבנים ל- lattice, מהנדסים יכולים להשיג שיפורים חום של 50-200% תוך שיפור אחידות טמפרטורה וצמצום מתחים אלה באופן ישיר, תוך כדי לחץ אורגני, אך ורק עלות, לחץ חזק יותר, לחץ חזק יותר, אך ורק עלות, לחץ אורגני, לחץ חזק יותר, לחץ חזק יותר, לחץ חזק יותר, לחץ אווירי, יציב, לחץ, לחץ, לחץ אווירי, אך ורק על פני השטח, יציב, לחץ, יציב, יציב, לחץ, לחץ, לחץ, לחץ חזק יותר, יציב, לחץ חזק יותר, לחץ על פני השטח, אך יעיל יותר, אך ורק על פני השטח, לחץ יעיל יותר, לחץ על פני השטח, לחץ על פני השטח, לחץ יעיל יותר, לחץ אורגני, יציב, אך ורק על פני השטח, לחץ על פני השטח, לחץ יעיל יותר, לחץ על פני השטח, לחץ על פני השטח, אך ורק עלות, לחץ יעיל יותר, לחץ על ידי קירור יעיל יותר, אך ורק על פני השטח,