Dissertação

{pt_PT=Laminar flow and heat transfer in triply periodic minimal surfaces} {} EVALUATED

{pt=As espumas metálicas têm propriedades desejáveis para a melhoria do desempenho de permutadores de calor, como elevadas porosidade, área específica e tortuosidade, pois permitem maior transferência de calor para um dado volume quando comparadas com geometrias tradicionais, como por exemplo a placa plana. Com o desenvolvimento da manufactura aditiva surgiu a oportunidade de ajuste da geometria dos meios porosos e usar geometrias como superfícies mínimas periódicas. Superfícies mínimas periódicas (TPMS) são superfícies definidas matematicamente, infinitas no espaço 3-D, que minimizam a curvatura média local da superfície para uma determinada condição de fronteira e podem dividir o espaço em duas regiões contínuas entrelaçadas entre si com curvaturas suaves e sem arestas ou ângulos. Devido à sua natureza suave e labiríntica, são candidatas efectivas à geometria de meios porosos para aumentar a transferência de calor, minimizando perda de carga. Para avaliar as propriedades das TPMS foram obtidas soluções detalhadas das equações de Navier-Stokes 3-D para células 3-D periódicas baseadas nas topologias Schwarz-P, Schwarz-D e Schoen Gyroid com diferentes espessuras de parede. O regime laminar inercial estacionário foi investigado e o Reynolds de transição foi obtido para as geometrias. A queda de pressão foi calculada através da equação de Darcy-Forcheimmer e pelo factor de atrito de Darcy. Para avaliar as capacidades de transferência de calor, foram obtidas condutividades térmicas efectivas e números de Nusselt para temperatura de parede constante. Finalmente, as transferências de calor, potências de bombagem e eficiências na utilização do material foram comparadas com o caso de benchmark da placa plana., en=Metallic open-cell foams have desirable properties such as high porosity, specific area and tortuosity. These features are suitable for the improvement of heat exchanger performance as they allow higher heat transfer rates for the same volume, when compared with the traditional geometries such as flat plate geometry. With the development of additive manufacturing the opportunity to tune the geometry of porous media has emerged, and it is now possible to use triply periodic minimal surfaces as porous geometry. Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) are mathematically defined surfaces, infinite in 3-D space, that minimize local mean surface curvature for a given boundary, and can divide space in two continuous regions intertwined with one another while having smooth curvatures and no edges or angles, rendering them effective candidates for newly engineered porous media to enhance heat transfer while minimizing pressure drop. To evaluate the properties of TPMS, detailed solutions of the 3-D Navier-Stokes equations were obtained for periodic 3-D cells based on the Schwarz-P, Schwarz-D and Schoen Gyroid topologies with different wall thicknesses. The laminar steady inertial regime was investigated and transition Reynolds numbers were obtained. Pressure drop was calculated using Darcy-Forcheimmer equation and Darcy friction factor. To assess heat transfer capabilities effective thermal conductivities and constant wall temperature Nusselt numbers were obtained. Finally, heat transfer, pumping power and material efficiency were compared with the benchmark case of the flat plate.}
{pt=meios porosos, superfícies mínimas períodicas, escoamento laminar, convecção, permutadores de calor, MFC, en=porous media, triply periodic minimal surfaces, laminar flow, convective heat transfer, CFD, heat exchangers}

Julho 9, 2019, 18:0

Orientação

ORIENTADOR

Miguel Abreu de Almeida Mendes

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar

ORIENTADOR

José Manuel Da Silva Chaves Ribeiro Pereira

Departamento de Engenharia Mecânica (DEM)

Professor Auxiliar