В исследовании, опубликованном в Международном журнале тепломассопереноса, Ахмад Наджафи, доктор философии, профессор инженерного колледжа Дрекселя, и его сотрудник Джейсон Патрик, доктор философии из Университета штата Северная Каролина, сообщают о том, как с помощью вычислительной техники они Разработанный может быстро создавать конструкции для 3D-печати композитных материалов из углеродного волокна с внутренней сосудистой сетью, оптимизированной для активного охлаждения.
«Когда вам становится жарко, тело посылает сигнал в систему кровообращения, чтобы перекачать больше крови на поверхность кожи – вот почему мы иногда краснеем», – сказал Наджафи. "Это естественный метод отвода тепла, который так хорошо работает, что ученые и инженеры годами пытались воспроизвести его в механических системах охлаждения, таких как те, которые предохраняют автомобили и компьютеры от перегрева."
В последней статье Наджафи и Патрика описывается интегрированная платформа для разработки и создания биовпитанных микрососудистых композитов, которые могут делать именно это.
За считанные минуты их компьютерная программа, придуманная HyTopS, что является сокращением от гибридной топологии / оптимизации формы, может создать схему сосудистой сети с идеальной формой, размером и распределением микрососудов для активного охлаждения материала посредством циркуляции жидкости. уловка, которая позволила матери-природе пройти более нескольких эволюционных циклов, чтобы усовершенствовать.
В настоящее время разрабатываются микрососудистые композитные волокна для охлаждения всего, от электромобилей до самолетов следующего поколения, где все более высокие характеристики приводят к увеличению выделяемого тепла.
«Эти современные материалы могут произвести революцию во всем, от гиперзвуковых космических аппаратов до аккумуляторных батарей в электромобилях и даже систем охлаждения суперкомпьютеров. По мере того, как все движется быстрее, а выходная мощность и вычислительная мощность продолжают расти, выделяется огромное количество тепла, что требует новых подходов к охлаждению ", – сказал Патрик. «Вдохновленная системами кровообращения в живых организмах, внутренняя микрососудистая сеть обеспечивает эффективное средство терморегуляции синтетических материалов."
По словам Наджафи / Патрика, которые начали свою академическую карьеру в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн, занимаясь разработкой микрососудистых материалов для микрососудистых материалов для этих целей, эта ветвь исследований, основанных на биоинспирировании, существует всего около десяти лет. самовосстановление, активное охлаждение и не только.
Частью их недавних исследовательских целей является замена более традиционных металлических систем, передающих тепло через воду или воздух.
Хотя это было надежное решение, любой, у кого был оконный блок кондиционера, наверняка поймет, почему другая система охлаждения будет улучшением для любого транспортного средства или компонента, который пытается снизить вес.
«Микрососудистые композиты обладают множеством преимуществ по сравнению с существующими системами жидкостного и воздушного охлаждения, в первую очередь, они намного легче при сопоставимой прочности, но они также очень долговечны, что важно, если учесть широко распространенное влияние коррозии на металлические компоненты», – сказал Наджафи. грустный. "И если вы рассмотрите их среди других факторов, легко понять, почему их ищут в аэрокосмической, автомобильной и энергетической отраслях."
Чтобы проверить свой метод оптимизации, исследователи спроектировали и построили микрососудистый композит из углеродного волокна с помощью 3D-печати и проверили его охлаждающие способности по сравнению с эталонным дизайном из предыдущих исследований.
После нагрева углеродных композитов до максимальной температуры жидкий хладагент (аналогичный тому, что используется в вашем автомобиле) был прокачан через каждую сосудистую сеть, чтобы начать процесс охлаждения.
Углеродный композит, оптимизированный для HyTopS, был не только более холодным, но и более однородным с точки зрения распределения температуры поверхности и мог охлаждаться быстрее, чем эталонная конструкция.
Помимо превосходных характеристик оптимизированного материала, преимущество метода HyTopS заключается в том, что он автоматически вычисляет влияние изменений диаметра и расположения каналов, а также их соединения друг с другом. Он учитывает состав материала и общую геометрию охлаждаемой системы, а также соответствующие характеристики теплопередачи. И это влияет на параметры, связанные с производственным процессом, поэтому окончательный дизайн представляет собой реалистичный микрососудистый материал, который может быть изготовлен с помощью 3D-печати или других доступных методов изготовления.
«Практически невозможно воспроизвести всю сложность естественных микрососудов, но наша программа позволяет вносить значительный вклад в оптимизацию и учитывает производственные параметры, чтобы гарантировать, что конструкция действительно может быть построена», – сказал Наджафи.
Совместная команда намеревается использовать метод HyTopS для изучения других интригующих и междисциплинарных аспектов микрососудистых композитов, включая структурную механику и электромагнетизм.