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May 16, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 7861 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Os impactos da turbulência induzida por grades fractais parcialmente cobertas na transferência de calor convectiva forçada através do dissipador de calor placa-aleta no número de Reynolds ReDh = 22,0 × 103 foram numericamente e experimentalmente investigados. Os resultados mostraram que grades parcialmente cobertas renderam um maior desempenho de dissipação térmica, com grade fractal quadrada parcialmente coberta (PCSFG) registrando um aumento notável de 43% no número de Nusselt em relação à configuração sem grade. A análise por meio de um sistema de velocimetria de rastreamento de partícula única (SPTV) desenvolvido internamente exibiu as descobertas da formação única do "Anel de Turbulência", que forneceu um pequeno grau de previsibilidade nas oscilações periódicas do anel. Avaliações adicionais no PCSFG revelaram a dinâmica de fluxo entre aletas preferida de (i) alta velocidade de fluxo, (ii) forte intensidade de turbulência, (iii) flutuações de fluxo vigorosas, (iv) pequena escala de comprimento de turbulência e (v) eventos de fluxo desacelerados elevados . Essas características resultaram dos efeitos de acoplamento de espessuras de barra fractal de vários comprimentos na geração de uma veracidade de tamanhos de redemoinhos e uma segmentação vertical produzindo taxa de fluxo de massa elevada enquanto induz estruturas de fluxo de esteira favoráveis ​​para penetrar nas regiões entre as aletas. Efeitos abundantes de tais redemoinhos energéticos dentro do arranjo placa-aleta revelaram um poderoso efeito de derramamento de vórtice, com o PCSFG alcançando uma frequência de flutuação f = 18,5 Hz próxima a uma magnitude ideal. A coação de tais características limita o crescimento das camadas limite das aletas, fornecendo capacidades de transferência térmica superiores que beneficiam a comunidade no desenvolvimento de sistemas de transferência de calor de maior eficiência.

As turbulências são descritas como fluxos que possuem movimentos fluidos irregulares, imprevisíveis e caóticos. A formação de turbulência está intimamente ligada ao comportamento das partículas, por meio das quais a energia cinética excessiva em porções de fluido é capaz de superar os efeitos da viscosidade que amortecem as flutuações do fluxo1. É encontrado em fenômenos cotidianos e tem grande capacidade de mistura devido às características intrínsecas de difusão de aumento da taxa de massa, momento e transporte de energia. Tais propriedades de mistura aumentaram a probabilidade de reconstrução e rearranjo das camadas limite de fluxo térmico, aumentando assim a convecção forçada. Até o momento, inúmeras abordagens foram realizadas para desvendar os padrões de fluxo orientados para a transferência de calor. O uso de grades de preenchimento de espaço planar 2D viu um aumento na reputação de sua eficácia como um turbulador, devido à viabilidade de geometrias de grade de ajuste fino na expressão de uma interação termo-fluida preferida, especialmente os renomados designs de grade fractal.

Os fractais consistem em estruturas geométricas autossimilares que diminuem de tamanho, formando iterações de padrões complexos2,3. Sua dimensão é definida por dimensões fractais não integrais Df, que diferem da geometria euclidiana, em que as dimensões inteiras 0, 1, 2 e 3 são utilizadas para representar pontos, retas, superfícies e cubos, respectivamente4. Normalmente, as teorias fractais são utilizadas para descrever objetos de natureza irregular e desordenada, com a intenção de modelar rugosidade com detalhes mais finos, como a descrição de meios fibrosos porosos5,6. Recentemente, os padrões fractais foram amplamente integrados em aplicações de aprimoramento de transferência de calor devido à crescente demanda de dispositivos de alta eficiência. Por exemplo, trabalhos simulados7 e experimentais8 demonstraram o uso de aletas em forma de árvore fractal para melhorar o desempenho de uma unidade de armazenamento de calor latente (LHS). Foi demonstrado que o desempenho de descarga de energia da unidade LHS foi significativamente aumentado através da incorporação de designs fractais7,8. Turbuladores fractais planares 2D também foram introduzidos para gerenciamento de turbulência, com o estudo pioneiro conduzido por Hurst e Vassilicos9. Suas descobertas propuseram a existência de regiões de produção e decaimento de turbulência, que mais tarde foram confirmadas por Mazellier e Vassilicos, durante sua tentativa de traçar o perfil da intensidade da turbulência no sentido do fluxo do eixo em função da escala de comprimento da interação esteira10. Devido à natureza promissora da perturbação do fluxo de fluido induzida pela grade fractal por meio do ajuste fino dos parâmetros da grade, ela pode ser implementada em uma variedade de trabalhos, que incluem, entre outros, jatos de impacto11,12,13, aumento da velocidade da chama14, e captação de 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>