MIXED AND FORCED CONVECTION HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS OF SIERPINSKI CARPET FRACTAL FINS

席尔宾斯基地毯 分形 强迫对流 谢尔宾斯基三角 材料科学 机械 传热 热力学 数学 物理 数学分析 复合材料
作者
David M. Calamas,Tiesha M Wolfe,Valentin Soloiu
出处
期刊:Heat transfer research [Begell House Inc.]
卷期号:50 (3): 263-285
标识
DOI:10.1615/heattransres.2018025639
摘要

When specific fractal geometries are used in the design of fins or heat sinks, the surface area available for heat transfer can be increased while the system mass can be simultaneously decreased. In order to assess the thermal performance of fractal fins for application in the thermal management of electronic devices, an experimental investigation was performed. The experimental investigation assessed the efficiency, effectiveness, and effectiveness per unit mass of straight rectangular fins inspired by the first four iterations of the Sierpinski carpet fractal pattern in a mixed and forced convection environment. Fin performance was analyzed for power inputs of 10, 20, and 30 W while the fins were subject to uniform velocities of 1, 2, and 4 m/s. While the fin efficiency was found to decrease with fractal iteration, the fin effectiveness per unit mass increased with fractal iteration, regardless of power input and uniform velocity. When compared to a traditional solid rectangular fin, or the zeroth fractal iteration, a fin inspired by the fourth fractal iteration of the Sierpinski carpet fractal pattern was found to be on average 6.76% more effective, 13.66% less efficient, and 71.01% more effective per unit mass when subject to a uniform velocity of 1 m/s. However, for higher velocities, a fourth iteration was found to be less effective than the zeroth iteration, regardless of power input. Thus, Sierpinski carpet fractal fins should be used in natural and mixed convection environments where they have been found to be more effective than traditional solid rectangular fins. However, when compared with traditional perforated fins, fins inspired by the Sierpinski carpet fractal pattern have been found to offer an increase in perforated fin effectiveness.
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