Estudio computacional de la disipación térmica de espumas metálicas diseñadas mediante el método de Voronoi

Las espumas metálicas son materiales complejos que existen desde hace varias décadas. Son utilizadas en un amplio rango de aplicaciones incluida la disipación de calor de dispositivos electrónicos. Este proyecto trata del estudio computacional de tres tipos de estructura de espumas metálicas de células abiertas diseñadas por el método de Voronoi como disipadores de calor. Este modelo es muy utilizado para modelizar espumas metálicas, permite obtener estructuras porosas con poros de forma poliédrica. La modelización de las estructuras porosas ha sido realizada con el software Grasshoper©. Tres modelos han sido generados con la misma porosidad pero con una densidad de poros variable. Luego, el estudio computacional de estas estructuras ha sido hecho con el software COMSOL Multiphysics©, un software ampliamente utilizado que se basa en el método de los elementos finitos. Tres modelos han sido generados con COMSOL Multiphysics© con el fin de estudiar el comportamiento de las espumas metálicas en conducción y convección forzada. En este proyecto, la convección natural y la radiación se han tomado como insignificantes. Se observa la influencia de la densidad de poros, del tipo de material y de la velocidad de entrada del aire en la espuma (en convección forzada), sobre las características térmicas en conducción (conductividad térmica efectiva, resistencia térmica de conducción), y las características hidráulicas (permeabilidad, factor de inercia) y térmicas (resistencia térmica global) en convección forzada. Para cada tipo de transferencia de calor, los resultados son comparados con modelos y resultados de estudios antecedentes (modelos de BATTACHARYA [2] [3], CALMIDI [7], GROS [14], GOMEZ GONZALEZ [12] [13]). Los resultados obtenidos con COMSOL pertenecen a los estudios realizados previamente. Se ha observado que la conductividad térmica efectiva baja ligeramente para densidades de poros más altas. Además, la elección de un metal de alta conductividad térmica permite disminuir sustancialmente la resistencia térmica de conducción. En convección forzada, se encuentran permeabilidades iguales entre las tres estructuras porosas, mientras que el factor de inercia es más alto para una menor densidad de poros. Este factor de inercia ha aparecido como un parámetro importante para la disipación de calor. En efecto, se encuentra la menor resistencia térmica con la espuma de baja densidad de poros, y no con la espuma de alta superficie especifica. El tipo de metal utilizado se ha mostrado también importante en la elección del disipador de calor;; en efecto ha sido la espuma de hierro (o sea de menor conductividad térmica) la que ha mostrado las peores prestaciones de disipación de calor