Numerical simulation of Triply Periodic Minimal Surfaces: influence of geometry and domain length on hydraulic performance

Thermal management plays a key role in several industries, including aerospace, automotive, and electronics. As the demand for compactness and increased efficiency grows, new promising alternatives to current technologies are being studied, among which Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) have gained attention for their high surface-to-volume ratio, light weight, and enhanced heat transfer capabilities, when implemented in heat exchangers, compared to conventional devices such as flat plate or fin-shaped. Although TPMS were first described over a century ago, their complex internal structure rendered them difficult to manufacture until the introduction of Additive Manufacturing (AM), enabling their implementation in heat exchanger applications. This thesis investigates and compares the hydraulic performance in terms of pressure loss and friction factor of two solid TPMS geometries: Diamond and Gyroid. Simulations were conducted under laminar conditions at different Reynolds numbers, additionally evaluating the influence of domain length on flow development by considering a varying number of cells along the flow direction. Starting from the generation of the geometry, this thesis outlines the research method implemented, detailing mesh generation, boundary definition representative of the periodic nature of TPMS, solver, and boundary condition setup, using the software OpenFOAM. The results obtained show that the solid Gyroid exhibits overall superior behavior in terms of hydraulic performance across the simulated Reynolds numbers. Additionally, this study provides insight into the flow development within TPMS channels and identifies the minimum number of cells required for its complete development. These findings are intended to guide future studies involving larger domains and serve as a baseline for future heat transfer performance evaluations, ultimately supporting the development of more efficient and compact heat exchangers.

La gestione termica riveste un ruolo fondamentale in numerosi settori industriali, tra cui l’aerospaziale, l’automobilistico e l’elettronica. Con la crescente richiesta di soluzioni compatte e ad alta efficienza, sono allo studio nuove alternative promettenti rispetto alle tecnologie attualmente impiegate. Tra queste, le Triply Periodic Minimal Surfaces (TPMS) hanno attirato l’attenzione per il loro elevato rapporto superficie-volume, il peso ridotto e le migliorate capacità di scambio termico, quando impiegate in scambiatori di calore, rispetto a dispositivi convenzionali come scambiatori a piastre o alettati. Sebbene le TPMS siano state descritte per la prima volta oltre un secolo fa, la loro complessa struttura interna ne ha ostacolato a lungo la realizzazione, fino all’avvento della Manifattura Additiva (AM), che ne ha reso possibile l’implementazione in applicazioni per scambiatori di calore. La presente tesi analizza e confronta le prestazioni idrauliche, in termini di perdita di carico e coefficiente di attrito, di due geometrie solide TPMS: Diamond e Gyroid. Le simulazioni sono state condotte in regime laminare per diversi numeri di Reynolds, valutando inoltre l’influenza della lunghezza del dominio sullo sviluppo del flusso, mediante l’impiego di un numero variabile di celle lungo la direzione del flusso. A partire dalla generazione della geometria, la tesi descrive il metodo di ricerca adottato, illustrando le fasi di generazione della mesh, definizione delle superfici di contorno rappresentative della natura periodica delle TPMS, scelta del solver e configurazione delle condizioni al contorno, utilizzando il software OpenFOAM. I risultati ottenuti evidenziano come la Gyroid solida presenti, nell’insieme, un comportamento superiore in termini di prestazioni idrauliche nei range di Reynolds simulati. Inoltre, lo studio offre una panoramica sullo sviluppo del flusso all’interno dei canali TPMS e individua il numero minimo di celle necessario affinché tale sviluppo sia completo. Queste conclusioni intendono fornire indicazioni per studi futuri su domini di dimensioni maggiori e costituire una base di riferimento per successive valutazioni delle prestazioni termiche, con l’obiettivo finale di supportare lo sviluppo di scambiatori di calore più compatti ed efficienti.