A Study of Flow through Cellular Structures with Periodic Pore Geometry and Varying Unit Cell Sizes
Author
Mazur, Roman Paul
Term
4. term
Education
Publication year
2025
Submitted on
2025-05-28
Abstract
Dette speciale undersøger, hvordan enhedscellestørrelse i skalbaserede Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) strukturer – nærmere bestemt Gyroid og Diamond – påvirker hydraulisk modstand og varmeafledning. Der gennemføres en parametrisk Computational Fluid Dynamics-analyse i OpenFOAM, hvor de inkompressible RANS- og energiligninger løses med k-omega SST-turbulensmodellen. Til sikring af robusthed udføres netuafhængighedsundersøgelse og validering mod litteraturen. For sammenlignelighed holdes porøsitet og strukturlængde konstante; der anvendes periodiske randbetingelser på tværs, konstant indløbshastighed og -temperatur, samt vægge ved konstant temperatur. Resultaterne viser, at mindre enhedsceller giver højere trykfald og øget volumetrisk varmeoverførsel: fra største til mindste celle stiger trykfaldet op til 73 % for Diamond og 66 % for Gyroid, mens den volumetriske varmeoverførsel øges op til 57 %. Ved samme enhedscellestørrelse opnår Diamond generelt 11–17 % højere volumetrisk varmeoverførsel end Gyroid, primært på grund af større specifik overflade. Omvendt vokser Nusselt-tallet med stigende enhedscellestørrelse, med maksimale stigninger på 186 % for Gyroid og 156 % for Diamond, knyttet til stærkere konvektion og mere kaotisk strømning i større celler. En samlet vurdering med effektivitetsmålene effP og eta fremhæver en afvejning: små celler giver kompakt, høj varmeoverførsel men lavere energieffektivitet, mens store celler giver bedre effektivitet men lavere varmepræstation. På tværs af størrelser leverer Diamond op til 40 % højere effP med eta på niveau med Gyroid og vurderes derfor som den stærkere løsning. Disse resultater kan støtte valg mellem kompakt højydelse og energieffektivitet i design af f.eks. varmevekslere og køleplader.
This thesis examines how unit cell size in sheet-based Triply Periodic Minimal Surface (TPMS) lattices—specifically Gyroid and Diamond—affects hydraulic losses and heat transfer. A parametric Computational Fluid Dynamics study is conducted in OpenFOAM by solving the incompressible Reynolds-averaged Navier–Stokes and energy equations with the k-omega SST turbulence model. Method robustness is supported by a grid independence study and validation against published results. To ensure comparability, porosity and structure length are held constant; transverse periodic boundaries are applied, a constant inlet velocity and temperature are imposed, and TPMS walls are maintained at constant temperature. The results show that smaller unit cells increase both pressure drop and volumetric heat transfer: from the largest to the smallest cell, pressure losses rise by up to 73% for Diamond and 66% for Gyroid, while volumetric heat transfer increases by up to 57%. At the same unit cell size, Diamond generally outperforms Gyroid in volumetric heat transfer by 11–17%, primarily due to a higher specific surface area. Conversely, Nusselt numbers grow with increasing unit cell size, with maxima of 186% for Gyroid and 156% for Diamond, linked to stronger convective effects and more chaotic flow in larger cells. Performance metrics effP and eta reveal a trade-off: smaller cells provide compact, high heat transfer at the expense of energy efficiency, whereas larger cells improve efficiency but reduce thermal performance. Across sizes, Diamond achieves up to 40% higher effP with eta comparable to Gyroid, and is therefore considered the stronger choice. These findings can guide design choices between compact high performance and energy efficiency in applications such as heat exchangers and heat sinks.
[This abstract was generated with the help of AI]
Keywords
Documents