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Effective thermal conductivity enhancement of particle suspensions under shear flow conditions = Erhöhung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von Partikelsuspensionen in Scherströmungen
2023 & 2024
Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2024
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2023-12-01
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2023-11882
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/975182/files/975182.pdf
Einrichtungen
Projekte
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
Die Kühlung thermisch hoch beanspruchter Komponenten hat Aufmerksamkeit erregt. Partikelsuspensionen verbessern die Wärmeleitfähigkeit der Kühlflüssigkeit, indem sie die hohe Wärmeleistungsfähigkeit fester Partikelintegrieren. Unter Bedingungen starker Scherströmung verändern Suspensionen ihre Eigenschaften. Daher beschäftigt diese Dissertation sich mit der Wechselwirkung der dispersen Feststoffpartikel mit der umgebenden Flüssigkeit, insbesondere den scherinduzierten Partikelrotationen im Strömungsfeld und dem dadurch verstärkten konvektiven Wärmeübergang. Für kugelförmige Partikel kann ein stationärer Finite-Elemente-Löser solide Ergebnisse ausarbeiten, indem er vorab angenommene Partikelrotationsgeschwindigkeiten iterativ anpasst, bis die Scherspannung auf der Partikeloberfläche verschwunden ist. Für das nicht kugelförmige Partikel sind nur transiente numerische Löser in der Lage, die komplexe Partikeldynamik aufzulösen. Um den Rechenaufwand zu reduzieren, wird die Lattice-Boltzmann-Methode gekoppelt mit der Diskrete-Elemente-Methode für die Fluid- bzw. Partikeldynamik verwendet. Zusätzlich ist ein Code für die Finite-Elemente-Methode integriert, um die Wärmeleitung innerhalb der Partikel zu berücksichtigen. Das LBM-DEM-FEM-Kopplungsschema wird weiter auf partikelbeladene Kanalströmungen einschließlich Partikel-Interaktionsmodellen angewendet. Die Ergebnisse zeigen, dass die effektive Wärmeleitfähigkeit eines einzelnes Partikel in einfachen Scherströmungen gesättigt ist, wenn die Partikel eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Ein weiteres Sättigungsverhalten tritt aufgrund von durch hohe Scherraten induzierten Partikelrotationen in der Strömung auf, was zu einer quasi isothermen Schicht um das Partikel herum führt, wodurch Partikelmaterialien an Bedeutung verlieren. Solche Sättigungseffekte erfordern jedoch sehr hohe Schergeschwindigkeiten, die für abgeflachte sphäroidische Partikel selten erreicht werden. Unter den verschiedenen Rotationszuständen von abgeflachten sphäroidischen Partikeln zeigt das "log-rolling" (Rotation um die Nebenachse) eine verbesserte Wärmeübertragungsfähigkeit. Für mit mehreren Teilchen beladene Kanalströmungen ist die Gesamtverbesserung der thermischen Konvektion durch variierende Rotationszuständen nicht signifikant unterschiedlich. Stattdessen erweisen sich größere Partikelvolumenanteile und Partikelgrößen als eher entscheidende Faktoren.Cooling of thermally highly stressed components has gained severe attention, especially for high-power-density components applied in electric vehicles. Particle suspensions enhance the thermal conductivity of cooling liquidby incorporating the high thermal performance of solid particles. Under strong shear flow conditions, suspensions are known to alter their properties. Therefore, this dissertation focuses on the interaction between dispersedsolid particles and the surrounding fluid, i.e. the shear-induced particle rotations in the flow and the resultanting reinforced convective heat transfer. For spherical particles, a steady Finite Element solver can work out solid results by iteratively adapting pre-assumed particle rotation speeds until the shear stress on the particle surface is vanished. For non-spherical particles, only transient numerical solvers are capable of resolving the complex particle dynamics. To reduce computational expenses, the Lattice-Boltzmann Method coupled with Discrete Element Method is employed for fluid and particle dynamics, respectively. Additionally, a Finite Element Method code is incorporated to account for thermal conduction inside the particles and to provide missing information from the Discrete Element Method. The LBM-DEM-FEM coupling scheme is further applied to particle-laden channel flows including particle-particle and particle-wall interaction models.The findings indicate that for a single particle in simple shear flows, the effective thermal conductivity of the suspension saturates if the thermal conductivity of the particles is large. Another saturation behavior is observeddue to high-shear-rates-induced particle rotations in the flow, which leads to a quasi iso-thermal layer around the particle, rendering particle materials less significant. However, such saturation-required shear rates are so largethat these are rarely reached for oblate spheroidal particles. Among different rotational states of oblate spheroidal particles, log-rolling, which involves rotation around the minor axis, shows an advantage in terms of heat transfercapability. Additionally, particles with higher density ratios compared to the base fluid are more likely to exhibit log-rolling in shear flows. Nevertheless, for multi-particle loaded channel flows, the overall thermal convection enhancement by varying particle-fluid density ratios is not significantly different. Instead, larger particle volume fractions and smaller channel-particle size ratios are found to be rather decisive factors.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030626973
Interne Identnummern
RWTH-2023-11882
Datensatz-ID: 975182
Beteiligte Länder
Germany
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