Two-mode fractal radiator with rotatable fin elements based on a modified Y-system

Abstract

This study is devoted to a dual-mode fractal radiator with a modified topology. Its key feature is the ability to alter end-wall orientation via gear engagement between wall-mounted gears and discrete positioning wheels. The basic fractal structure derived from a Y system by replacing the initiator with a V initiator and imposing a conjugation condition on parallel daughter walls. This yields a natural topological feature: the parallel end walls of the final recursion level can rotate into regular polygonal face positions. The aim was to create a novel finning that combines fractal efficiency with configurational adaptability for optimizing heat transfer under varying conditions, and to evaluate its thermal performance via steady state modeling. Objectives included: developing a parametric fractal model incorporating conditions for the topological feature; designing a dual mode module with rotating elements; and engineering the rotation mechanism. Numerical simulations of steady conjugate heat transfer were performed for open and closed configurations using full element models. Key results include: validation of the rotation mechanism design; confirmation that closed configuration walls act as reflectors, enhancing radiative heat transfer; and demonstration of thermal accumulator operation in the closed mode. The significance of the obtained results lies in the fact that a two-mode fractal radiator module with discrete transmission, allowing the fin topology to be changed, has been developed and analyzed. The proposed solution expands the capabilities of designing heat exchange systems, offering a solution suitable for local modernization of sections with variable operating modes.

Acest studiu este dedicat unui radiator fractal bimodal cu o topologie modificată. Caracteristica sa cheie este capacitatea de a modifica orientarea peretelui terminal prin angrenarea angrenajului dintre angrenajele montate pe perete și roțile de poziționare discrete. Structura fractală de bază a derivat dintr-un sistem Y prin înlocuirea inițiatorului cu un inițiator V și impunerea unei condiții de conjugare pe pereții paraleli. Acest lucru produce o caracteristică topologică naturală: pereții terminali paraleli ai nivelului final de recurență se pot roti în poziții regulate ale fețelor poligonale. Scopul a fost de a crea o nouă înotătoare care combină eficiența fractală cu adaptabilitatea configurațională pentru optimizarea transferului de căldură în condiții variabile și de a evalua performanța sa termică prin modelarea în stare staționară. Obiectivele au inclus: dezvoltarea unui model fractal parametric care să încorporeze condițiile pentru caracteristica topologică;proiectarea unui modul bimodal cu elemente rotative;și ingineria mecanismului de rotație. Simulările numerice ale transferului de căldură conjugat staționar au fost efectuate pentru configurații deschise și închise folosind modele cu elemente complete. Rezultatele cheie includ: validarea designului mecanismului de rotație;confirmarea faptului că pereții în configurație închisă acționează ca reflectoare, sporind transferul radiativ decăldură;și demonstrarea funcționării acumulatorului termic în modul închis. Semnificația rezultatelor obținute constă în faptul că a fost dezvoltat și analizat un modul radiator fractal bimodal cu transmisie discretă, care permite modificarea topologiei aripioarelor. Soluția propusă extinde capacitățile de proiectare a sistemelor de schimb de căldură, oferind o soluție potrivită pentru modernizarea locală a secțiunilor cu moduri de funcționare variabile.

Настоящая работа посвящена разработке и исследованию двухрежимного фрактального радиатора с модифицированной топологией. Ключевая особенность предлагаемого конструктивного решения заключена в реализации возможности изменения пространственной ориентации концевых стенок за счет введения зубчатого зацепления шестерен стенок с колесами дискретного позиционирования зубчиков. Базовая фрактальная структура была получена на основе Y-системы путем замены ее инициатора V-инициатором и введением условия сопряжения параллельных стенок дочерних элементов, что привело к естественной топологической особенности, в которой концевые параллельные стенки последнего уровня рекурсии способны поворачиваться, занимая положение граней правильного многоугольника. Цель работы заключалась в разработке и исследовании двухрежимного фрактального радиатора, способного изменять конфигурацию концевых участков рёбер посредством дискретной передачи в положения, обусловленные топологией модифицированной Y‑системы. Для достижения поставленной цели были решены задачи, включавшие: проработку параметрической модели построения фрактальной структуры с условиями, приводящими к топологической особенности фрактала, разработку конструктивного решения двухрежимного модуля с вращающимися элементами, проектирование поворотного механизма. В заключительной части проведено численное моделирование стационарного сопряженного теплообмена для двух конфигураций, обусловленных топологией, на основе полно-элементных моделей открытой и закрытой конфигураций. Наиболее важными результатами являются: обоснование конструктивного решения с поворотным механизмом, установление того факта, что в закрытой конфигурации стенки выступают как рефлекторы, увеличивая лучистый теплообмен. Также, установлено, что в закрытой конфигурации модуль может работать в режиме теплового аккумулятора. Значимость полученных результатов состоит в том, что разработан и проанализирован двухрежимный фрактальный модуль радиатора с дискретной передачей, позволяющей менять топологию оребрения. Предложенное решение расширяет возможности проектирования теплообменных систем, предлагая решение пригодное для локальной модернизации участков с переменными режимами работы.