⚡ electrical engineering

Numerical Analysis of PIN Fin Configurations for Liquid Cooled Cold Plates for Aircraft Power Converters

Deze studie maakt gebruik van CFD-simulaties om de configuraties van circulaire, ruitvormige en NACA 0030 profielvormige pinvinnen voor met vloeistof gekoelde koelplaten voor vliegtuigen te evalueren, waarbij wordt onthuld dat het gestaffelde profielvormige ontwerp de beste thermische prestatie-index biedt voor gewichtsbeperkte avionica, terwijl het gestaffelde circulaire ontwerp superieure pure koeling biedt met een minimale drukstraf.

Oorspronkelijke auteurs: Darragh Veale, Brian Hand

Gepubliceerd 2026-09-01

📖 5 min leestijd🧠 Diepgaand

CC BY 4.0

Oorspronkelijke auteurs: Darragh Veale, Brian Hand

Oorspronkelijk artikel gelicentieerd onder CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Dit is een AI-gegenereerde uitleg van het onderstaande artikel. Het is niet geschreven of goedgekeurd door de auteurs. Raadpleeg het oorspronkelijke artikel voor technische nauwkeurigheid. Lees de volledige disclaimer

Moderne vliegtuigen ondergaan een stille revolutie. Om emissies te verminderen en de efficiëntie te verbeteren, vervangen ontwerpers zware hydraulische en pneumatische systemen door elektrische systemen, waardoor wat ingenieurs "More Electric" of zelfs "All Electric" vliegtuigen noemen, ontstaat. Deze verschuiving legt een enorme last op de stroomomvormers die de elektriciteit beheren, apparaten die betrouwbaar moeten werken binnen de krappe, hete confines van de avionica-bay. Naarmate deze componenten meer warmte genereren, moeten de systemen die hen koelen veel effectiever worden zonder excessief gewicht toe te voegen of krachtige pompen te vereisen die brandstof verbruiken. De uitdaging is om warmte zo snel mogelijk weg te voeren van gevoelige elektronica, terwijl er een minimale hoeveelheid energie wordt gebruikt om de koelvloeistof door het systeem te duwen.

Om dit op te lossen, richtten onderzoekers aan de Munster Technological University zich op een methode genaamd computationele vloeistofdynamica, wat in feite het gebruik van krachtige computers is om te simuleren hoe een vloeistof over kleine obstakels in een koelplaat stroomt. Ze concentreerden zich op een specifiek ontwerpkenmerk: pin fins. Dit zijn kleine, kolomachtige structuren die in rijen zijn gerangschikt binnen de kanalen waar de koelmiddel stroomt. Terwijl de vloeistof langs deze pinnen beweegt, wervelt en mengt deze, wat helpt om warmte weg te trekken van de metalen wanden van de plaat. Het team wilde weten welke vorm van pin fin het beste werkt. Ze testten drie verschillende vormen: een eenvoudige cirkel, een ruit en een gestroomlijnde vleugelvorm (airfoil), vergelijkbaar met de dwarsdoorsnede van een vliegtuigvleugel. Ze testten ook twee manieren om deze pinnen te arrangeren: één waarbij de pinnen in elke rij perfect op één lijn liggen met de pinnen erachter, en een andere waarbij de pinnen in de tweede rij in de openingen tussen de eerste rij zitten, wat een gestapeld patroon creëert.

De onderzoekers bouwden een gedetailleerd digitaal model van een koude plaat gemaakt van aluminium, hetzelfde materiaal dat in echte vliegtuigen wordt gebruikt, en vulden deze met een mengsel van water en ethyleenglycol, een veelvoorkomend koelmiddel. Ze simuleerden de stroming van deze vloeistof bij drie verschillende snelheden, variërend van een langzame kruip tot een snelle rush, terwijl ze een zware, constante warmtelast op de bovenkant van de plaat toepasten om de intense omstandigheden van een echte stroomomrichter na te bootsen. In totaal voerden ze achttien verschillende simulaties uit, waarbij ze elke combinatie van de drie vormen, twee patronen en drie snelheden testten. Het doel was om twee concurrerende factoren te meten: hoe goed het systeem de plaat koelde en hoeveel weerstand de vloeistof voelde terwijl deze probeerde door de pinnen te bewegen. Een ontwerp dat goed koelt maar een krachtige pomp vereist om de vloeistof erdoorheen te duwen, is niet nuttig voor een vliegtuig, waar elk grammetje gewicht en elke druppel brandstof telt.

De resultaten toonden aan dat er niet één "perfecte" vorm is voor elke situatie, maar dat er duidelijke winnaars waren, afhankelijk van wat een vliegtuigontwerper prioriteit geeft. Wanneer het doel puur was om warmte zo snel mogelijk te verwijderen, presteerden de cirkelvormige pinnen in een gestapeld patroon het best. Bij de hoogste stroomsnelheid verbeterde deze configuratie de koelingsefficiëntie met iets meer dan twee procent vergeleken met een standaard basisontwerp. Deze lichte winst ging echter gepaard met een kleine toename in de inspanning die nodig is om de vloeistof te pompen. De ruitvormige pinnen, die sommige eerdere studies als superieur hadden aangemerkt, presteerden consequent het slechtst in deze specifieke opstelling, omdat ze niet aan de verwachtingen voldeden op zowel koeling als vloeistofstroom.

De meest significante bevinding kwam echter van de vleugelvormige (airfoil) pinnen. Hoewel ze warmte niet zo agressief verwijderden als de cirkelvormige pinnen, boden ze een veel beter evenwicht. Omdat hun vorm gestroomlijnd is, stroomt de vloeistof met veel minder weerstand om hen heen, wat aanzienlijk minder pompkracht vereist. Wanneer de onderzoekers de koelprestaties combineerden met de energie die nodig is om de vloeistof te verplaatsen in één enkele score, kwamen de vleugelvormige pinnen in een gestapeld patroon als de duidelijke kampioen uit de bus. Deze configuratie behaalde de hoogste algehele prestatiescore, wat bewees dat het de elektronica koel kon houden terwijl het energie bespaart en de belasting op de pompsystemen van het vliegtuig vermindert.

De studie bevestigde dat de snelheid van het koelmiddel de machtigste factor was die de resultaten beïnvloedde, waarbij snellere stroming altijd leidde tot betere koeling, ongeacht de vorm van de pin. Echter, de vorm en de rangschikking van de pinnen bepaalden hoe efficiënt die snelheid werd gebruikt. Het vleugelontwerp was bijzonder aantrekkelijk voor de luchtvaartindustrie omdat het de drukval minimaliseerde, wat betekent dat de pompen kleiner en lichter kunnen zijn. De onderzoekers merkten op dat hoewel hun computermodellen zeer gedetailleerd waren en gevalideerd tegen echte experimenten, de vleugelvormige vormen het moeilijkst te simuleren waren vanwege hun scherpe, gebogen randen, wat zorgde voor zorgvuldige aanpassingen om ervoor te zorgen dat de digitale resultaten nauwkeurig waren. Uiteindelijk, voor de beperkte omgeving van de avionica-bay van een vliegtuig, waar gewicht en vermogen kostbaar zijn, biedt de gestroomlijnde vleugelvormige pin fin de meest veelbelovende weg voorwaarts voor het koelen van de volgende generatie elektrische vliegtuigen.

Technische Samenvatting: Numerieke Analyse van PIN-fin Configuraties voor Vloeistofgekoelde Cold Plates voor Elektrische Voedingen in Vliegtuigen

Probleemstelling
De transitie van de luchtvaartindustrie naar More Electric Aircraft (MEA) en All Electric Aircraft (AEA) heeft de eisen aan thermisch beheer in avionica-compartimenten geïntensiveerd. Naarmate hydraulische en mechanische systemen worden vervangen door elektrische tegenhangers, moeten vermogenselektronische componenten (bijv. TRU's, omvormers, DC/DC-converters) aanzienlijk hogere warmtefluxen dissiperen binnen beperkte ruimtes. Traditionele luchtkoelingsmethoden zijn steeds vaker ontoereikend voor deze hoge vermogensdichtheden. Daarom is er een behoefte aan geoptimaliseerde met vloeistof gekoelde cold plates die gebruikmaken van pin-fin geometrieën om de warmteoverdracht te verbeteren, terwijl de beperkingen van gewicht en pompvermogen die inherent zijn aan aerospace-toepassingen worden beheerd. Hoewel verschillende pin-fin vormen afzonderlijk zijn bestudeerd, ontbreekt het aan vergelijkende gegevens met betrekking tot meerdere vormen, patroonconfiguraties (inline versus staggered) en operationele snelheden die specifiek zijn afgestemd op de omgeving van aerospace cold plates.

Methodologie
Deze studie maakte gebruik van een numerieke Computational Fluid Dynamics (CFD) onderzoek met behulp van ANSYS Fluent 2025 R2. Het onderzoek maakte gebruik van een 3D Conjugate Heat Transfer (CHT) model met het SST $k-\omega$ turbulentiemodel om stationaire, ongecomprimeerde stroming te simuleren.

Geometrie: Het cold plate-ontwerp is gebaseerd op een experimenteel gevalideerde configuratie (190,3 x 152,4 x 18 mm) met twee parallelle interne kanalen. Drie pin-fin geometrieën werden gemodelleerd: circulair, diamant en een NACA 0030 aerofoil. Elke vorm werd getest in zowel inline als staggered configuraties.
Materialen en Koelmiddel: Het vaste lichaam werd gemodelleerd als Al 6061-T6, en het koelmiddel was een 50/50 Water-Ethyleenglycol (WEG) mengsel.
Randvoorwaarden: Simulaties werden uitgevoerd bij drie inlaat-snelheden (0,43, 1,14 en 1,43 m/s), overeenkomend met turbulente Reynoldsgetallen (ongeveer 4.025 tot 13.400). Een uniforme warmteflux van 708.433 W/m² werd toegepast op zes weerstanden om de belastingen van vermogensomvormers te simuleren.
Experimenteel Ontwerp: Een full factorial Design of Experiments (DoE) resulteerde in 18 simulatieruns. Het model werd gevalideerd tegen experimentele gegevens uit een eerdere studie, waarbij wandtemperatuurfouten tussen 0,03% en 1,49% lagen.
Analyse: Prestaties werden geëvalueerd aan de hand van vier metrieken: convectiecoëfficiënt ( $h$ ), drukval ( $\Delta P$ ), thermische weerstand ( $R_t$ ) en de Thermal Performance Index (TPI). Statistische significantie werd bepaald met behulp van een full factorial ANOVA in Minitab.

Belangrijkste Resultaten
De studie leverde onderscheidende prestatiekenmerken voor elke configuratie over de geteste snelheden:

Thermische Prestaties (Convectiecoëfficiënt): De circulaire staggered configuratie vertoonde de hoogste ruwe koelprestaties, met een convectiecoëfficiënt van 1801,168 W/m²K bij 1,43 m/s. Dit vertegenwoordigde een verbetering van 2,153% ten opzichte van de circulaire inline baseline. De prestaties van de circulaire geometrie worden toegeschreven aan grotere zoggebieden die stromingsloslating en vortex shedding bevorderen, wat de menging van de vloeistof verbetert.
Thermische Weerstand: De aerofoil staggered configuratie bereikte de laagste thermische weerstand ( $R_t$ ) van 0,02787 K/W bij 1,43 m/s (een reductie van 9,45% ten opzichte van de baseline). Ondanks dat de aerofoil een lagere convectiecoëfficiënt heeft dan de circulaire varianten, zorgde de grotere koorde van de aerofoil (7 mm) voor een groter oppervlak, wat resulteerde in een superieure algehele thermische weerstand.
Hydraulische Prestaties: De aerofoil geometrieën produceerden consistent de laagste drukvallen, variërend van 3,86% tot 5,95% lager dan de baseline. Het gestroomlijnde NACA 0030 profiel vertraagde de stromingsloslating, waardoor de zogweerstand werd verminderd. Omgekeerd presteerden de diamant configuraties consequent minder goed, met de hoogste drukvallen en de laagste convectiecoëfficiënten, waarschijnlijk door scherpe voorranden die vroege stromingsloslating veroorzaken.
Thermal Performance Index (TPI): De aerofoil staggered configuratie bereikte de hoogste TPI van 1,8978 bij 1,43 m/s. Deze metriek, die thermische en hydraulische prestaties balanceert, gaf aan dat het aerofoil staggered ontwerp de meest efficiënte afweging biedt, wat aanzienlijk wordt gedreven door de lagere wrijvingsfactor in vergelijking met circulaire en diamant vormen.
Statistische Analyse: ANOVA-resultaten bevestigden dat de inlaatsnelheid de dominante factor is die alle prestatie-indicatoren beïnvloedt ( $R^2 > 99,8\%$ ). Echter, de pin-fin vorm en het patroon waren ook statistisch significant. De interactie tussen vorm en patroon was bijzonder significant voor de thermische weerstand, wat aangeeft dat het voordeel van een staggered arrangement varieert per geometrie.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert een vergelijkbare baseline te bieden voor de vormgeving van cold plates in toekomstige MEA en AEA toepassingen. De primaire bijdrage is de directe vergelijking van circulaire, diamant en aerofoil pin-fins onder realistische aerospace thermische en hydraulische beperkingen.

De auteurs concluderen dat geen enkele configuratie simultaan alle metrieken maximaliseert; de optimale keuze hangt af van de specifieke ontwerpprioriteit:

Voor maximale warmteafvoer: De circulaire staggered configuratie is superieur.
Voor het minimaliseren van pompvermogen: De aerofoil inline configuratie biedt de laagste drukval.
Voor een algemene systeembalans: De aerofoil staggered configuratie wordt geïdentificeerd als de meest aantrekkelijke oplossing voor avionica-compartimenten. Het biedt de hoogste TPI en significante reducties in drukval, terwijl het een sterke thermische weerstand behoudt, wat het bijzonder geschikt maakt voor omgevingen waar gewicht en pompvermogen beperkt zijn.

De studie erkent beperkingen, waaronder de specifieke geometrie die gebruikt is (gebaseerd op één enkel experimenteel ontwerp) en mesh-uitdagingen geassocieerd met de scherpe achterrand van het aerofoil profiel, wat een lichte geometrische modificatie vereiste om convergentie te waarborgen. Het werk stelt vast dat hoewel diamantvormen in andere studies gunstig zijn gerapporteerd, ze in deze specifieke turbulente, aerospace-relevante context onderpresteerden.

Meer zoals dit