Μελέτη θερμικής και ρευστοδυναμικής ροής σε τροφοδοτικό υψηλής τάσης με εισαγωγή ανεμιστήρων και διαμόρφωση ψηκτρών κάνοντας χρήση του πακέτου OpenFoam
| datacite.contributor.RelatedPerson | Σουλιώτης, Εμμανουήλ | |
| datacite.contributor.RelatedPerson | Βούρος, Ανδρέας | |
| datacite.contributor.Supervisor | Παπαδόπουλος, Πολύκαρπος | |
| dc.contributor.author | Σακελλάρης, Δημήτριος | |
| dc.contributor.other | Sakellaris, Dimitrios | |
| dc.date.accessioned | 2026-07-08T05:36:18Z | |
| dc.date.available | 2026-07-08T05:36:18Z | |
| dc.date.issued | 2026-07-08 | |
| dc.degree | graduateThesis | |
| dc.description.abstract | Η θερμική διαχείριση των τροφοδοτικών υψηλής τάσης (HVPS) αποτελεί κρίσιμο παράγοντα για την ασφάλεια και την αξιοπιστία συστημάτων σε ιατρικές, βιομηχανικές και επιστημονικές εφαρμογές. Η παρούσα εργασία παρουσιάζει μια ολοκληρωμένη προσέγγιση για τη θερμική και ρευστοδυναμική μελέτη και τη βελτιστοποίηση της ψυκτικής ικανότητας μιας τέτοιας μονάδας, η οποία απαρτίζεται από στοιχεία υψηλής ισχύος, ανεμιστήρες και ψήκτρες. Αρχικά, πραγματοποιείται θεωρητική ανάλυση των θεμελιωδών ροϊκών χαρακτηριστικών των ανεμιστήρων και στη συνέχεια υλοποιείται η τρισδιάστατη αριθμητική προσομοίωση με τη χρήση του λογισμικού ανοικτού κώδικα OpenFOAM. Το λογισμικό αξιοποιείται ως το κύριο εργαλείο προσομοίωσης με την εφαρμογή της μεθόδου συζευγμένης μεταφοράς θερμότητας (Conjugate Heat Transfer – CHT), η οποία επιτρέπει την ταυτόχρονη επίλυση της τυρβώδους ροής του αέρα και της αγωγής θερμότητας στα στερεά εξαρτήματα. Η ροή μοντελοποιείται μέσω των εξισώσεων RANS σε συνδυασμό με το μοντέλο τύρβης k-omega SSΤ και τον υπολογιστικό αλγόριθμο PIMPLE. Η ανάπτυξη του αριθμητικού μοντέλου περιλαμβάνει τη γεωμετρική διαμόρφωση της διάταξης και την κατασκευή του πλέγματος, τον καθορισμό των αρχικών και συνοριακών συνθηκών, καθώς και τον προσδιορισμό των φυσικών ιδιοτήτων (physical Properties) και των ιδιοτήτων τύρβης (turbulence Properties). Στην συνέχεια, προσδιορίζονται τα χαρακτηριστικά των θερμικών πηγών (fvModels), οι χρονικές και λειτουργικές παράμετροι (controlDict) και εισάγονται ορισμένα εργαλεία εποπτείας της επίλυσης (functionObjects). Τέλος, επιλέγονται τα αριθμητικά σχήματα διακριτοποίησης (fvSchemes), οι γραμμικοί λύτες και οι αλγόριθμοι που χρησιμοποιούνται στο πρόβλημα (fvSolution). Στο πλαίσιο της αποτίμησης των αποτελεσμάτων διεξάγεται μελέτη ανεξαρτησίας πλέγματος, αναδεικνύεται η διαδικασία εύρεσης της βέλτιστης διάταξης ανεμιστήρων και διαμόρφωσης ψήκτρων και διερευνάται η επίδραση παραμέτρων όπως η χωροταξία των μονάδων ψύξης, η απόδοση αερισμού και η κατανομή των θερμοκρασιακών πεδίων στα κρίσιμα σημεία των στοιχείων ισχύος. Με βάση τη βέλτιστη αυτή ψυκτική διάταξη επιλέγονται τα κατάλληλα εμπορικά μοντέλα αξονικών ανεμιστήρων που μπορούν να ανταπεξέλθουν στην απομάκρυνση του θερμικού φορτίου και διενεργείται διεξοδική μετα-επεξεργασία των ροϊκών και θερμικών χαρακτηριστικών, εξετάζοντας την εξέλιξη της σύγκλισης των residuals, τις μέγιστες θερμοκρασίες και ταχύτητες αλλά και παραμέτρους, όπως η y+ και wallHeatFlux. Η μελέτη ολοκληρώνεται με την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της εφαρμοσμένης θερμικής διαχείρισης και τη διατύπωση προτάσεων για μελλοντική ερευνητική διερεύνηση. | |
| dc.description.translatedabstract | Thermal management of High-Voltage Power Supplies (HVPS) constitutes a critical factor for the safety and reliability of systems operating in medical, industrial, and scientific applications. This thesis presents a comprehensive approach to the thermal and fluid dynamics analysis and the cooling capacity optimization of such a unit, which comprises of high-power components, fans, and heat sinks. Initially, a theoretical analysis of the fundamental aerodynamic characteristics of fans is performed, followed by a three-dimensional numerical simulation utilizing the open-source software OpenFOAM. The software is employed as the primary computational tool via the Conjugate Heat Transfer (CHT) method, which enables the simultaneous solution of the turbulent airflow and the heat conduction within the solid components. The flow field is modeled using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations coupled with the k-omega SST turbulence model along with the PIMPLE solution algorithm. The computational model setup encompasses the geometric configuration of the assembly, mesh generation, the definition of initial and boundary conditions, as well as the specification of physical and turbulence properties. Subsequently, the thermal source characteristics (fvModels) and the temporal and operational parameters (controlDict) are determined, while specialized solution-monitoring tools (functionObjects) are introduced. Finally, the numerical discretization schemes (fvSchemes) along with the linear solvers and algorithms (fvSolution) are selected. Within the framework of result verification, a grid independence study is conducted, an optimization process for the optimal fan arrangement and heat sink configuration is outlined, and the impact of parameters such as component layout, ventilation efficiency, and temperature field distribution at critical power element locations is investigated. Based on this optimal cooling configuration, suitable commercial axial fan models capable of handling the thermal load dissipation are selected, and a thorough post-processing of the aerodynamic and thermal characteristics is carried out, examining residuals convergence, maximum temperatures and velocities, as well as parameters such as y+ and Wall Heat Flux. The study concludes with an assessment of the applied thermal efficiency management and the formulation of recommendations for future research investigation. | |
| dc.identifier.uri | https://hdl.handle.net/10889/32368 | |
| dc.language.iso | el | |
| dc.rights | Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Greece | en |
| dc.rights.uri | http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/gr/ | |
| dc.subject | Τροφοδοτικά υψηλής τάσης | |
| dc.subject | Συζευγμένη μεταφορά θερμότητας | |
| dc.subject | Ανεμιστήρες | |
| dc.subject | Ψήκτρες | |
| dc.subject | Μοντέλο τύρβης k-omega SSΤ | |
| dc.subject | Θερμική διαχείριση | |
| dc.subject.alternative | High-voltage power supplies | |
| dc.subject.alternative | OpenFOAM | |
| dc.subject.alternative | Conjugate heat transfer | |
| dc.subject.alternative | Cooling fans | |
| dc.subject.alternative | Heat sink configuration | |
| dc.subject.alternative | K-omega SST turbulence model | |
| dc.subject.alternative | Thermal management | |
| dc.title | Μελέτη θερμικής και ρευστοδυναμικής ροής σε τροφοδοτικό υψηλής τάσης με εισαγωγή ανεμιστήρων και διαμόρφωση ψηκτρών κάνοντας χρήση του πακέτου OpenFoam | |
| dc.title.alternative | Thermal and fluid dynamics investigation of a high-voltage power supply setup with fan integration and heatsink configuration using the OpenFoam package |