بهینه‌سازی ساختار هندسی مواد ابررسانا با ضخامت‌ متغیر درون پره با هدف بیشینه‌سازی عملکرد گرمایی

در مطالعه حاضر افزایش انتقال حرارت از پره با قراردادن موادی با ضریب هدایت گرمایی بسیار بالا (ابررسانا) در داخل یک پره مستقیم، مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به ملاحظات اقتصادی، تنها بخشی از ساختار پره را می‌توان به این مواد اختصاص داد. بنابراین، یک ساختار هندسی مناسب و تا جای ممکن بهینه شده برای این مواد ارائه می‌گردد. هدف از بهینه‌سازی، بیشینه‌سازی انتقال گرما از پره، با تغییر هندسه ساختار مواد ابررسانا تحت قیدهایی نظیر ثابت بودن نسبت حجمی مواد ابررسانا می‌‎باشد. ساختار هندسی مواد ابررسانا با توزیع شاخه‎‌هایی با ضخامت‌های متغیر و توزیع خطی ارائه می‌گردد. تاثیر پارامترهای هندسی و فیزیکی مختلف، مانند عدد بایوت، نسبت ضخامت پره به طول آن، نسبت حجمی مواد ابررسانا به پره و نسبت ضریب هدایت گرمایی ابررسانا به پره بر نتایج بهینه‌سازی گزارش می‌شود. نتایج نشان می‌دهد که برای شاخه‎‌های ابررسانا، یک هندسه بهینه وجود دارد، به گونه‎ای که برای آن هندسه بهینه، انتقال گرما از پره به بیشترین مقدار ممکن افزایش می‌‎یابد. این افزایش انتقال گرما با افزایش درجه آزادی‌های ساختار هندسی مواد ابرسانا بیشتر می‌شود. مقدار افزایش انتقال گرما و همچنین ساختار بهینه مواد ابررسانا، وابسته به پارامترهایی نظیر عدد بایوت، نسبت ضخامت پره به طول آن، نسبت حجمی مواد ابررسانا به پره و نسبت ضریب هدایت گرمایی ابررسانا به پره می‌باشد. به طوری‎که با افزایش عدد بایوت، نسبت حجمی مواد ابررسانا به پره، کاهش نسبت ضخامت پره به طول آن و افزایش نسبت ضریب هدایت گرمایی ابررسانا به پره، کارایی مواد ابررسانا در ازدیاد انتقال گرما بیشتر و مشهودتر می‌گردد.

Geometric Optimization of Highly Conductive Inserts with Variable Thickness Embedded in a Fin

In the present study, it is proposed to reduce the thermal resistance of a straight fin by embedding highly conductive routes with variant thickness into a fin. Due to economic constraints, only a limited fraction of fin’s volume can be devoted to these materials. Therefore, in this research,  an optimal geometric structure for the inserts is presented. The purpose of optimization is to maximize the heat transfer from the fin by increasing the degrees of the freedomtomorph under the constraint of the fixed volume fraction of the inserts. The geometric structure of conductive materials is presented by distributing the inserts with variable thicknesses or a linear distribution. The effects of several parameters such as the aspect ratio of the fin, Biot number, the volume fraction of highly conductive materials and the thermal conductivity ratio on the optimization results are presented in detail. It is shown that the increment in the number of insert branches with different thicknesses results in higher heat transfer. It is also indicated that the linear distribution performs the best.