勾配法に基づく放熱用の最適多孔質体構造の提案とその実験的実証

基于梯度法的最佳散热多孔结构的提出及其实验验证

基本信息

批准号：
21K03896
负责人：
佐野吉彦
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Shizuoka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は，放熱用の多孔質体構造に理論設計手法がないことを問題提起とし，勾配法と局所体積平均理論の連成により物理科学に基づく多孔質体デザイン手法を確立することである．２年目の目的は（A）１年目で確立した数理理論に基づき数値シミュレーションを実行して，更なる放熱性能を有する多孔質構造体を探索すること，（B）実験に基づく本理論の妥当性を検証すること，（C）伝熱要素解析による伝熱促進メカニズムを検討することであった．まず放熱媒体を想定して，SC構造体，FCC構造体，FCCSC構造体，BCC構造体，BCCSC構造体の形状改善数値シミュレーションを行い，全ての構造体においてその伝熱量を増加可能であることを示した．さらに，形状改善したBCCSC構造体では，圧力損失を考慮した熱効率指数においてもその値を高めることに成功し，ルーバーフィンよりも高い熱効率指数を得ることを達成した．実験では，３Dプリンターを用いてデザインした多孔質構造体の造形を行った．2年目は放熱実験装置の作成を行い，放熱実験の前段階として上記BCCSC構造体の透過率に注目して，本多孔質体デザイン手法の妥当性の検証を行った．その結果，実験でもデザインした多孔質構造体の有意義性を実証することができた．さらに，伝熱要素解析を実行することで，更なる放熱性能を有する多孔質構造体を得るためには，構造体内で比較的流れが透過しやすく且つ温度勾配の大きい領域に向けて構造体を拡大させていくこと，さらに，流れが構造体と衝突して局所熱伝達率を高める領域を増やすことが重要であることが分かった．これらの成果は３件の国内学会で発表し，内１件では若手優秀講演者賞を受賞した．

本研究的目的是解决目前多孔体散热结构尚无理论设计方法的问题，建立基于物理科学的梯度法与局部体积平均理论耦合的多孔体设计方法。第二年的目标是（A）基于第一年建立的数学理论进行数值模拟，以寻找具有更好散热性能的多孔结构，以及（B）在实验的基础上发展这一理论（C. ）通过传热元件分析来检验传热促进机制。首先，假设散热介质，我们进行了数值模拟，以改善 SC 结构、FCC 结构、FCCSC 结构、BCC 结构和 BCCSC 结构的形状，并确认可以增加所有结构的传热量。显示。此外，改进形状的BCCSC结构还成功地提高了考虑压力损失的热效率指数值，实现了比百叶窗翅片更高的热效率指数。在实验中，我们使用 3D 打印机创建了设计的多孔结构。第二年，我们创建了一个散热实验装置，作为散热实验的第一步，我们重点研究了上述BCCSC结构的透过率，验证了我们多孔体设计方法的有效性。因此，我们能够通过实验证明所设计的多孔结构的重要性。此外，通过传热元分析，为了获得具有进一步散热性能的多孔结构，需要将结构移向结构内部流动相对容易渗透且温度梯度较大的区域发现扩大面积、增加流动与结构碰撞的面积、提高局部传热系数是很重要的。该成果在国内学术会议上发表了3次，其中1次荣获杰出青年报告奖。