THERMO-MECHANICAL BEHAVIOR OF METAL FOAMS IN THERMAL APPLICATIONS: A COMPUTATIONAL AND EXPERIMENTAL APPROACH. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF Thesis-g201303570.pdf - Published Version Download (10MB) | Preview

Arabic Abstract

يمكن تعريف الرغوة المعدنية علي أنها كتلة من معدن تحتوي علي نسبة عالية من الفراغات علي المستوي القياس الدقيق، بحسب طريقة التصنيع يتم إنتاج نوعين، الخلايا المفتوحة والخلايا المغلقة. يتم إستخدام الرغوة المعدنية بكثرة في كثير من التطبيقات نسبة لخصايصها الميكانيكية والحرارية الجيدة. في هذا البحث أجريت دراسة تجريبية وتحسيبية بغرض فهم السلوك الحراري والميكانيكي للرغوة المعدنية في التطبيقات الحرارية مع التركيز علي الزعانف الحرارية. أجريت الدراسة التجريبية علي رغوة معدنية من الالمونيوم بنسبة فراغية تصل الي 93 % ، و أجريت التجارب علي نسبتين مختلفتين من الكثافة الفراغية التي تقاس بعدد الفراغات في وحدة الطول، النسبة الاولي 4 فراغات في السنتميتر الواحد (10 في البوصة الواحدة)، والنسبة الثانية 8 فراغات في السنتميتر الواحد (20 في البوصة الواحدة). تمت صناعة العينات بغرض التجارب في معامل جامعة الملك فهد. أوضحت نتائج إنتقال الحرارة للهواء أن العينات المغطية بإستخدام الترذيذ الحراري تؤدي بطريقة أفضل من عينات التفريغ الحراري الصلبة و الملصقة حراريا. تغيير سرعة سريان الهواء أوضح أن معدل إنتقال الحرارة يتغير بعلاقة خطية مع زيادة أو نقصان سرعة الهواء. دراسة أخرى أجريت علي عينة تحتوي علي مجموعة من الزعانف أثبتت أن الزاوية 45 درجة هي أفضل توجية بين الزعانف الحرارية وإتجاه سريان الهواء وتعطي أفضل تفريغ حراري، بينما كانت الزاية 90 في حالة العينة التي تحتوي علي زعنفة واحدة. نتجت هذة الأفضلية بسبب وجود نسبة أحتكاك كبيرة بين الهواء والرغوة المعدنية في هذة الزوايا. بما أن الرغوة المعدنية لها شكل معقد جدا لذلك التحليل العددي يمثل طريقة جيدة لدراستها، عادة يفضل الباحثون إستخدام نماذج تحسبية مبسطة تعتمد علي مجموعة من الإفتراضات. تم إستخدام طريقة مبتكرة تسهل عملية إنتاج الشكل ثلاثي الأبعاد للعينة من أجل إستخدامه في التحليل بطريقة العناصر المنتهية لتحليل عينة رغوة معدنية من نوع الخلية المفتوحة. تم إستخدام طريقة الرسم السطحي المحسوب لإستخراج رسم سطحي ثلاثي الأبعاد عالي الدقة ثم بأستخدام برنامج تصميم بمساعدة الحاسوب تمت عملية تنقيح الرسم ليصبح جاهزا للإستخدام في التحليل العددي بطريقة العناصر المنهية. تم توضيح أهمية النموذج التحليلي المنتج من خلال أمكانية إستخدامه في تحليل وتصميم المفرغات الحرارية. وتم تأكيد النتائج من خلال التجارب العملية. دقة النموذج التحليلي أكدت بالمقارنة مع نتائج التجارب. في الأخير تم إستخدام النموذج التحليلي في تقييم وتحليل حالات مختلفة عن طريق المحاكاة.

English Abstract

Metal foams are porous materials that have a very high percentage of void spaces at the macroscopic level. Depending on the manufacturing technique, they are either produced as open or closed cells. Metallic foams have taken over significant amount of applications due to their improved thermal and mechanical properties. In this study, both experimental and computational work has been undertaken to better understand the thermo-mechanical behavior of metal foams in thermal applications with a focus on heat sinks. In the experimental work, study was undertaken on aluminum metal foams of 93% porosity, while pore density was of 4 PPC (10 PPI) and 8 PPC (20 PPI), where PPC (PPI) stands for pores per cm (pores per inch). The whole experimental setup and the samples were fabricated in-house. The forced convection results show that heat sinks with thermal spray coating outperformed the thermally glued and solid heat sink samples. Air flow speed variations reveal that heat transfer rate changes almost linearly with increase/decrease of air speed. Further study with multiple fin samples states that 45º is the best orientation between heat sink and the air flow for maximum heat dissipation, while it is 90º for the single fin. This is due to better interaction between fluid and the heat sinks matrix at these respective orientations. As metal foams’ have complex geometry, so for numerical analysis as an easy alternative, researchers usually prefer simplified computational models based on various assumptions. An innovative approach has been undertaken to capture the three-dimensional (3D) detailed geometry of open-cell metal foam sample and make a finite element model out of this. Computed tomography (CT) has been utilized to extract extreme precise 3D surface model and Computer Aided Design (CAD) software have been employed to “clean” the surface model for finite element (FE) analysis. The viability of this model has been demonstrated here as its use in heat sinks and is calibrated against experimental results. The accuracy of the acquired model has been validated with a comparative study with experimental findings. The validated and calibrated model is then used for assessing different scenarios via simulations.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor:	Alathel, Khaled Saleh
Committee Members:	Arif, Abul Fazal Muhammad and Pashah, Sulaman Sikandar Qadir
Depositing User:	SHAHZADA PAMIR ALY (g201303570)
Date Deposited:	08 Jun 2015 08:03
Last Modified:	01 Nov 2019 15:46
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139622