Solar Collector Design Incorporating Lattice Structures. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF M.Al-Safadi Thesis_Signed.pdf Restricted to Repository staff only until 7 May 2027. Download (4MB)

Arabic Abstract

تتناول هذه الرسالة دراسة الأداء الحراري والهيدروليكي للهياكل الشبكية المصممة، مع التركيز على الهياكل ذات الأسطح الدنيا الدورية ثلاثية الأبعاد (TPMS) والهياكل الشبكية التقليدية، ومدى قابليتها للتطبيق في الأنظمة الحرارية المتقدمة، وبشكل خاص في تطبيقات الطاقة الشمسية. وتعالج الدراسة تحديًا أساسيًا يتمثل في تحسين انتقال الحرارة مع تقليل فاقد الضغط ضمن تصميمات مدمجة. تم اعتماد منهجية متعددة المراحل. في المرحلة الأولى، تم إجراء تحليل شمولي للهياكل القائمة على (TPMS) بهدف تجميع وتوحيد معاملات انتقال الحرارة ومعاملات الاحتكاك، مع تحديد مصادر التباين المرتبطة بتعريفات الهندسة، وظروف الحدود، وأساليب النمذجة. بعد ذلك، تم إجراء دراسة باستخدام ديناميكا الموائع الحسابية (CFD) لمقارنة الهياكل (TPMS) والهياكل التقليدية تحت شروط حجم بنيوي متساوٍ، حيث أظهرت النتائج أن هياكل (TPMS) تعزز انتقال الحرارة، بينما توفر الهياكل التقليدية أداءً هيدروليكيًا أفضل. كما تم دراسة تأثير الصياغات الرياضية المختلفة لهياكل (TPMS)، وخاصة بنية (Diamond)، حيث تبين أن تمثيل الهندسة يؤثر بشكل ملحوظ على الأداء المتوقع ويساهم في تفسير التباينات في الأدبيات. بالإضافة إلى ذلك، تم تطوير منصة تجريبية تعتمد على هياكل مصنّعة بتقنيات التصنيع بالإضافة، بهدف إتاحة التحقق المستقبلي من النتائج العددية. تم توسيع الدراسة لتشمل أنظمة تخزين الطاقة الحرارية الكامنة باستخدام المواد متغيرة الطور (PCM)، حيث ساهمت الهياكل الشبكية في تحسين أداء الانصهار وتجانس درجة الحرارة، وكذلك تطبيقات المستقبلات الشمسية الحجمية باستخدام نماذج (CFD) دقيقة تأخذ في الاعتبار انتقال الحرارة بالإشعاع والحمل والتوصيل. وأظهرت النتائج أن هياكل (TPMS) تحقق أعلى أداء حراري، بينما توفر الهياكل التقليدية توازنًا أفضل بين انتقال الحرارة وفاقد الضغط. بشكل عام، توضح النتائج أنه لا يوجد شكل شبكي أمثل بشكل مطلق، وأن التصميم الفعال يتطلب تحقيق توازن بين تعزيز انتقال الحرارة وتقليل الفواقد الهيدروليكية. وتقدم هذه الرسالة إطارًا موحدًا وإرشادات تصميمية لتطبيق الهياكل الشبكية في أنظمة الطاقة الشمسية الحرارية من الجيل القادم

English Abstract

This thesis investigates the thermal-hydraulic performance of architected lattice structures, with a focus on triply periodic minimal surface (TPMS) and conventional lattice geometries, and their applicability to advanced thermal systems, particularly solar energy applications. The study addresses the fundamental challenge of enhancing heat transfer while minimizing pressure drop within compact system designs. A systematic multi-stage approach is adopted. First, a comprehensive meta-analysis of TPMS-based thermal systems is conducted to synthesize and normalize heat transfer and friction factor correlations, identifying key sources of discrepancies related to geometric definitions, boundary conditions, and modeling approaches. Subsequently, a computational fluid dynamics (CFD) study compares TPMS and conventional lattice geometries under equal structural volume conditions, demonstrating that TPMS structures enhance heat transfer due to increased surface area and flow complexity, while conventional lattices provide superior hydraulic performance. The influence of mathematical formulations of TPMS geometries, particularly the Diamond topology, is further investigated, showing that geometric representation can significantly affect predicted performance and contribute to inconsistencies in literature. An experimental test rig incorporating additively manufactured lattice structures is also developed to establish a framework for future validation. The analysis is extended to latent heat thermal energy storage systems, where lattice structures enhance melting performance and temperature uniformity, and to volumetric solar receivers using pore-scale conjugate CFD simulations. Results indicate that TPMS structures maximize thermal output through enhanced volumetric absorption, whereas conventional lattices offer a more balanced thermal-hydraulic performance. Overall, the findings demonstrate that no single lattice topology is universally optimal, and that effective design requires balancing heat transfer enhancement with hydraulic losses. This work provides a unified framework and design guidance for the implementation of lattice structures in next-generation solar thermal systems.