مواد سلولی (Cellular Materials – CMs)

در طول چهار دهه گذشته، توجه بیشتری به تحقیقات پدیده‌های انتقال در محیط‌های متخلخل به دلیل اهمیت آن در بسیاری از بخش‌های مهندسی و صنعتی دیده شده است. پیشرفت‌های عمده ای در مدل سازی جریان سیال، گرما و انتقال جرم از طریق یک محیط متخلخل، از جمله روشن شدن چندین پدیده فیزیکی مهم، صورت گرفته است. متریال سلولی (Cellular Materials – CMs) مواد نسبتا جدیدی از مواد متخلخل هستند که اخیرا کاربردهای ویژه‌ای در طیف وسیعی از پیشرفته‌ترین حوزه‌های مهندسی مکانیک/بیومکانیک/انتقال کاربرد پیدا کرده است. در تقسیم بندی متریال‌های سلولی، می‌توان دو نوع متریال سلولی را بر اساس توپولوژی ساختاری یک ماده متخلخل تقسیم بندی کرد:

1) آرایش سلول (تصادفی یا دوره‌ای) و 2) نوع منافذ (باز یا بسته).

در سال های اخیر تمرکز محققان صنایع حرارتی به رویکرد هدفمند استفاده از متریال نوآورانه برای بهبود کارایی و عملکرد بهتر در سیستم‌های انتقال انرژی تغییر کرده است. مواد شبکه سلولی تناوبی (Periodic Cellular Lattice – PCL) فلزی را می‌توان به عنوان محیط‌های متخلخلی با تخلخل معمولا بالا طبقه بندی کرد که متشکل از معابر جریان پر پیچ و خم با شکل نامنظم می‌باشد. متریال فلزی PCL در گستره وسیعی از تجهیزات انتقال حرارت به کار می‌روند. با توجه به ماهیت و ساختار آنها، متریال PCL در بسیاری از کاربردهای مدیریت حرارتی به دلیل نسبت مساحت سطح به حجم بالا (در حدود m 2 /m 3 10000) مورد استفاده قرار می‌گیرد.

به طور خاص، این نوع از متریال فلزی PCL، با میزان تخلخل حدود 90-98 درصد، دارای ویژگی‌های مطلوب در یک مبدل حرارتی فشرده می‌باشد، یعنی دارا بودن یک سطح اتصال جامد– سیال، هدایت حرارتی خوب فاز جامد، و یک مسیر جریان پیچ و خم‌دار برای ورود سیال به رژیم تربولانسی در ساختار متریال. از اینرو، متریال‌های فلزی PCL می‌توانند به عنوان جایگزین پره‌های معمولی مبدل‌های حرارتی فشرده مورد استفاده در کاربرد صنایع حمل و نقل و نیز صنایع هوا فضا قرار بگیرند، که در مقایسه با پره‌های معمولی، نرخ انتقال حرارت بهتر درکنار افت فشار کمتری را ارائه می‌کنند.

ماتریس فلزی یک متریال PCL را می‌توان از یک فلز با هدایت گرمایی بالا مانند آلومینیوم یا مس درنظر گرفت که تنها با حضور در یک سیال استاتیک، هدایت حرارتی کلی سیستم جامد– سیال به طور چشمگیری افزایش می یابد (ضریب هدایت گرمایی مؤثر کل سیستم جامد-سیال عموما با میزان تخلخل و ضریب هدایت گرمایی فاز سیال و جامد توصیف می‌شود). جریان از طریق محیط متخلخل PCL و جزئیات آن از سال 1856به طور جدی مورد مطالعه قرار گرفته است. میزان تخلخل و توپولوژی ساختار متریال فلزی PCL، تنها پارامترهایی هستند که بر میزان عملکرد ترموهیدرولیکی تجهیزات حرارتی مجهز به متریال فلزی PCL اثرگذار است.

در یکی از جدیدترین تحقیقات صورت گرفته در حوزه علوم حرارتی متریال سلولی، برای درک عمیق تر از توانایی برتر افزایش نرخ انتقال حرارت ساختار متریال فلزی PCL، شبیه‌سازی‌ دینامیک سیالات سه‌بعدی برای شفاف‌سازی و بررسی تأثیر پارامترهای مورفولوژیکی متریال فلزی PCL مانند توپولوژی ساختار شبکه و میزان مقدار تخلخل بر ویژگی‌های ترموهیدرولیکی یک مبدل حرارتی فشرده جدید انجام شده است:

A novel trussed fin-and-elliptical tube heat exchanger with periodic cellular lattice structures

[دانلود]
 

دکتر بابک لطفی
استادیار دانشگاه
Research Affiliate دانشگاه لوند سوئد