EasyChair Preprint№ 5801

Design and Thermal Analysis of Engine FinsUsing ANSYS Workbench

Sravan Arimadla, K. Kishor Kumar and P Divya

EasyChair preprints are intended for rapiddissemination of research results and areintegrated with the rest of EasyChair.

June 15, 2021

Design iiandii Thermalii Analysis iiof iiEngineI iFins iibyii

Using iiANSYSI iWorkbenchii ii ii

ArimadlaiiSravanii

1

1 Research Scholar iiMechanicaliiEngineering,

KakatiyaiiInstituteiiofiiTechnology andiiScience,iiWarangal,

Telangana,iiIndia. b19me190l@kitsw.ac.in

K.iiKishoreiiKumarii2

ii

2 Assistantiiprofessor, MechanicaliiEngineering,

KakatiyaiiInstituteiiofiiTechnology andiiScience,iiWarangal,

Telangana,iiIndia. kkk.me@kitsw.ac.in

P.iiDivyaii3

3 Assistantiiprofessor,

MechanicaliiEngineering, KakatiyaiiInstituteiiofiiTechnology

andiiScience,iiWarangal, Telangana,iiIndia.

pd.me@kitsw.ac.in

Abstract:iiTheiiEngineiicylinderiifiniiisiioneiiofiitheiimajorii

automobileiicomponents,iiwhichiiisiisubjectediitoiihighiitemperatureiivariationsiiandiithermaliistresses.iiIniiorderiitoiicooli

itheiicylinderiiofiitheiiengine,iifinsiiareiiprovidediioniithei

isurfaceiiofiitheiicylinderiitoiiincreaseiitheiirateiiofiiheati

itransfer.iiByiidoingiithermaliianalysisiioniitheiicylinderiifinsii

ofiitheiiengine,iiitiiisiihelpfuliitoiiknowiitheiiheatiidissipationiiinsideiitheiicylinder.iibyiiincreasingiitheiisurfaceiiarea,iitheiiheati

idissipationiirateiiwilliiincrease,iisoiidesigningiisuchiiaiilargei

icomplexiiengineiiisiiveryiidifficult.iiTheiimainiiaimiiofiitheii

projectiiisiitoiianalyzeiitheiithermaliipropertiesiibyiivaryingii

geometryiiofiicylinderiifinsiiusingiiAnsysiiworkbenchiibench19.2iiversion.iiTheii3Diimodeliiofiitheiigeometryiiisiicreatedi

iusingiiCATIAiiV5iiandiiitsiithermaliipropertiesiiareiianalyzediiusingiiAnsysiiworkbench19.2.iiTheiivariationiiofiitemperatureiidistributioniioveriitimeiiisiiofiiinterestiiiniimanyiiapplicationsiisuchiiasiiiniicooling.iiTheiiaccurateiithermaliisimulationi

icouldiipermitiicriticaliidesigniiparametersiitoiibeiiidentifiedi

iforiiimprovediilife.iiPresentlyiiMaterialiiusediiforiimanufacturingiicylinderiifiniibodyiiisiiAluminumiiAlloyiiwhichiihasi

ithermaliiconductivityiiofii160iiiW/mk.iiPresentlyiianalysisiiisi

icarriediioutiiforiicylinderiifinsiiusingiithisiimaterial.ii ii Keywords:iiDissipation,iiThermaliiconductivity,iicylinder,ii

fins,3Diimodel,iiCATIAiiV5,iiAnsys.ii ii

I.iiINTRODUCTIONii ii 1.1.iiENGINEiiCYLINDERiiFINS:iiTheiiinternaliicombus

tioniiengineiiisiianiiengineiiiniiwhichiitheiicombustioniiofiiaiifueliitakesiiplaceiiiniiaiicombustioniichamber.iiAlliitwoiiwheelersii

useiiAiriicoolediiengines,iibecauseiiAir-coolediienginesiiareiilighteriiweightiiandiilesseriispaceiirequirement.iiIniiInternaliiengineiicombustioniiengines,iicombustioniiofiiairii–iifueliimixtureiitakesiiplaceiiinsideiitheiiengineiicylinderiiandiihotiigasesiiareiiproduced.iiTheiitemperatureiiofiigasesiiwilliibeiiaroundii200ii–ii600°C.Theiihighiitemperatureiimayiiresultiiiniiburningiiofiioiliifilmiibetweeniimovingiipartsiiandiimayiiresultiiiniiseizingiiorii

welding.iiHence,iithisiitemperatureiimustiibeiireducediitoiiincreaseiitheiiefficiencyiiofiitheiiengine.Itiihasiibeeniiobservediiiith

atiitheiiheatiidissipatediibyiifinsiiusediiiniiengineiibyiichangingii

geometryiiandiimaterialiitheiieffectivenessiimayiivariediiinefficientiiwheniiitiiisiicoldiiandiihenceiitheiicoolingiisystemiiisiidesignediiiniisuchiiaiiwayiithatiiitiipreventsiicoolingiiwheniitheiiengineiiisiiwarmingiiupiiandiitilliiitiiattainsiitoiimaximumiiefficientiioperatingiitemperature,iitheniiitiistartsiicooling. Toiiavoidiioverheating,iiandiitheiiconsequentiiilliieffects,iitheii

heatiitransferrediitoiianiiengineiicomponentii(afteriiaiicertainiilevel)iimustiibeiiremovediiasiiquicklyiiasiipossibleiiandiibeiiconveyediitoiitheiiatmosphere.iiItiiwouldiibeiiproperiitoiisayiitheiicoolingiisystemiiasiiaiitemperatureiiregulationiisystem.iiItiishouldiibeiirememberediithatiiabstractioniiofiiheatiifromiitheiiworkingiimediumiibyiiwayi

iofiicoolingiitheiiengineiicomponentsiiisiiaiidirectiithermodynamici

iloss.iiii

Theiirateiiofiiheatiitransferiidependsiiuponiitheiiwindiivelocity,iigeometryiiofiiengineiisurface,iiexternaliisurfaceiiareaiiandiitheiiambientiitemperature.iiIniithisiiworkiianalysisiiisiidoneiioniiengineii

blockiifinsiiconsideringiitemperatureiiinsideiibyiimeansiiofiiconductioniiandiiconvection,iiairiivelocityiiisiinotiiconsiderediiiniithisiiwork.iiMotorbikesiienginesiiareiinormallyiidesignediiforiioperatingi

iatiiaiiparticulariiatmosphereiitemperature,iihoweveriicoolingiibeyondiioptimumiilimitiiisiialsoiinotiiconsiderediibecauseiiitiicaniireduceiioveralliiefficiency.iiThusiiitiimayiibeiiobservediithatiionlyiisufficientiicoolingiiisiidesirable.ii

Air-coolediienginesiigenerallyiiuseiiindividualiicasesiiforiitheiicylindersiitoiifacilitateiicooling.iiInlineiimotorcycleiienginesiiareiianiiexception,iihavingiitwo-,iithree-,iifour-,iioriieveniisix-cylinderiiair-coolediiunitsiiiniiaiicommoniiblock.iiWater-coolediienginesiiwithiionlyiiaiifewiicylindersiimayiialsoiiuseiiindividualiicylinderiicases,iithoughiithisiimakesiitheiicoolingiisystemiimoreiicomplex.iiTheiiDucatiiimotorcycleiicompany,iiwhichiiforiiyearsiiusediiair-coolediimotorsiiwithiiindividualiicylinderiicases,iiretainediitheiibasiciidesigniiofiitheiriiV-twiniiengineiiwhileiiadaptingiiitiitoiiwater-cooling.ii 1.2.iiiiAIRiiCOOLING:ii AiriicoolediisystemsiigenerallyiiusediiICiienginesii,Airiicompressors,iiInductioniimotoriietc.iiIniithisiisystemiifinsiiorii(extendediisurf

aces)iiareiiprovidediioniitheiicylinderiiwalls,iicylinderiihead,iietc.ii

HeatiigeneratediiiidueiitoiicombustioniiiniitheiiengineiicylinderiiwilliibeiiconductediitoiitheiifinsiiandiiConvectioniiiiiitakesiiplaceiidueiitoiiairiiflowiioveriitheiisurfaceiiofiifins.ii Theiiamountiiofiiheatiidissipated(convection)iitoiiairiidepends iiupon:ii (a)iiAmountiiofiiairiiflowingiithroughiitheiifins.ii (b)iiFiniisurfaceiiarea.ii (c)iiThermaliiconductivityiiofiimetaliiusediiforiifinsii

Fig-1.2.iiAutomobileiiFinii ii

AdvantagesiiofiiAiriiCoolingiiSystemii: (a)iiRadiator/pumpiiisiiabsentiihenceiitheiisystemiiisiilightiiiniiweight. (b)iiIniicaseiiofiiaiiwateriicoolingiisystemiithereiiareiileakages,iibutiiiniithisiicaseiiofiiairiicoolingiithereiiiiiiiiiiareiinoiileakages.ii (c)iiCoolantiiandiiantifreezeiisolutionsiiareiinotiirequirediiiniiairiicoolingiisystems.ii (d)iiThisiisystemiicaniibeiiusediiiniicoldiiclimates,iiwhereiiifiiwaterii

isiiusediiitiimayiifreeze.ii DisadvantagesiiofiiAiriiCoolingiiSystem:ii (a)iiItiiiiisiilessiiefficientiicomparediitoiiaiiwateriicoolingiisystem.ii (b)iiHeatiitransferiirateiiisiilessiicomparediitoiiwateriicoolingiisystems. (c)iiNotiisuitableiiforiiaiiheavyiidieseliiengine.

ii

1.3.1.iiFiniiiitypes:ii Straightiifin, Variableiicross-sectionaliiareaiifin, Spineiioriiaiipiniifin, Annulariioriicylindricaliifin.

Castiiiron:iiCastiiironiiisiibasicallyiianiialloyiiofiicarboniiandiisiliconiiwithiiiron.iiItiiisiicontainingii2.4ii–ii3.7ii%iiC,ii1.1ii–ii2.8%iiSi,ii0.3ii–ii1.1%iiMn,ii0.16%iiPiiandii0.11%iiS.iiCastiiironiipossessesiihighiifluidityiiandiihenceiiitiiisiicastiiintoiianyiicomplexiishapesiiandiithiniisections.iiItiihasiianiiexcellentiiweariiresistanceiiofiigreyiiironiiunderiilubricatingiislidingiiconditionsiihasiibeeniiattributediitoiitheiipresenceiiofiigraphiteiiiniitheiimicrostructure.iiItiipossessesiihighiidampingiicapacityiiiniiadditioniitoiithatiicastiiironiiprovidediitheiiworkingiiconditionsiiareiiclean.iiTheiimaterialiipropertiesiiofiicastiiironiiareiigiveniibelow

Aluminum:

Aluminumiiisiiaiisilveryiiwhiteiimetaliiandiiitiipossessiifollowingiic

haracteristics:

Lightiimetal,iigoodiiconductivity,iihigheriiresistanceiiiitoiiiicorrosi

oniiandiiveryiiiiductile.iiiiTheiimeltingiipointiiofiialuminumiialloyiiv

ariesiifromii520ii–

ii650oC.iiItiiisiicommoniitoiiseeiialuminumiifinsiioniiengineiicylinde

rsiiandiiheatiiexchangers.ii

Iniigeneral,iiAluminumiiisiimostlyiiusediiasiifiniimaterialiibecause:

● iiItiihasiigoodiithermaliiconductivityiicomparediitoiitheiic

astiiiron

● iiAluminumiiisiilighteriiiniiweight.

● Highiicorrosioniiresistance.

● Highiisurfaceiifinish

1.4.APPLICATIONiiOFiiFINS: ➢ FinsiimostlyiiusediiiniiiiInternaliicombustioniiengineii

iiiiiiii iiiiiiiFinsiiusediiinii4strokeiiengineiiiiiiiiiiiiFinsiiusediiinii2strokeiiengine

FinsiiusediiiniiAiriicompressorsiiiiiiFinsiiusediiiniiinductioniimotor

iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii

iiiiiiiiiiFinsiiusediiiniiACiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiFinsiiusediiiniirefrigerator

II.DESIGNiiANDiiMODELLING:

➢ TheiidesigniiofiiengineiifinsiidoneiibyiiusingiiCATIAiiV5i

iR21iisoftware.

➢ CATIAiiisiiaiiComputeriiAidediiThreeiidimensionaliiInteractiveiiApplication.iiItiiisiiaiisolidiimodellingiitooliithatiiunitesiitheii3Diiparametriciifeaturesiitoii2Diitoolsiiandiiaddressesiieveryiidesigniitoiimanufacturingiiprocess.iiCatiaiiprovidesiitheiicapabilityiitoiivisualiseiidesigniiiniiii3D.ii

➢ StepsiiinvolvediiiniidesigniiofiifinsiiusingiiCATIA:iiii ● Drawiitheiiindividualiicomponentsiiofiitheiipartiiinii2Diiu

singiitheiidrawiicommand. ● Setiitheiidimensionsiiforiieachiilineiiusingiidimensionsiic

ommand.iiiiiiiiiiiiiiiiii ● Convertiitheii2Diisketchiitoii3Diiusingiipadiicommand. ● Makeiitheiiholesiiusingiipocketiicommand. ● Setiitheiimaterialiiasiialuminumiiusingiimaterialiicomma

nd.ii ● Assembleiitheiiindividualiicomponentsiiiniitheiipartiidra

wing.

2.1.iiiiSPECIFICATIONSiiOFiiDESIGN: ➢ Engineiitype:iiKawasakiiiKXii450CCiiengineii

➢ Bore:ii80mmii

➢ Stroke:ii90mm

➢ Finiilength:iimaxii60mmi

➢ Fin length: min 10mm

➢ Finiithickness:ii3mm

➢ Finiitype:iirectangulariifiniiwithiicurvediiedgesii

2.2.iiiiDRAWINGSiiMODELS:ii

\

2.3.iiiiDESIGNiiMODELSiiINiiCATIA:ii

iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii ii3D-view

Topiiview

iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiWirediiframeiiview

IIIiiANALYSIS: 3.1.iiiiSTATICiiTHERMALiiANALYSIS:ii ➢ ThermaliistaticiianalysisiiisiidoneiibyiiusingiiAnsysii19.2ii

software.

➢ ANSYS:iiAnsysii19.2iiisiianiiadvancediisimulationiisoftwareiiwhereiiweiicaniidoiidifferentiianalysisiisuchiiasiistaticiianalysis,iidynamiciianalysis,iifluidiiflowiianalysis,iithermaliianalysisiietc.

➢ StepsiiinvolvediiiniiStaticiithermaliianalysis:ii 1. Engineeringiidata 2. Geometryii 3. Model 4. Meshing 5. Analysis 6. Results

Thermaliianalysisiiisiiaiibranchiiofiimaterialsiiscienceiiwhereiitheiipropertiesiiofiimaterialsiiareiistudiediiasiitheyiichangeiiwithiitemperature.iiSeveraliimethodsiiareiicommonlyiiusedii–iitheseiiareiidistinguishediifromiioneiianotheriibyiitheiipropertyiiwhichiiisiimeasured.iiThermaliianalysisiicalculatesiitheiitemperatureii

andiiheatiitransferiiwithiniiandiibetweeniicomponentsiiiniiyouriidesigniiandiiitsiienvironment.iiThisiiisiianiiimportantiiconsiderationiiofiidesign,iiasiimanyiiproductsiiandiimaterialsiihaveiitemperatureiidependentiiproperties.iiProductiisafetyiiisiialsoiiaiiconsideration—ifiiaiiproductiioriicomponentiigetsiitooiihot,iiyouiimayiihaveiitoiidesigniiaiiguardiioveriiit.ii

Theiiheatiiflowiithroughiitheiicomponentsiicaniibeiiiniiaiist

eadyiistateii(whereiitheiiheatiiflowiidoesiinotiichangeiioveriitime)iioriitransientiiiniinature.iiTheiithermaliianalogyiiofiiaiilinearii

staticiianalysisiiisiiaiisteady-stateiithermaliianalysis,iiwhileiiaiidynamiciistructuraliianalysisiiisiianalogousiitoiiaiitransientiithermaliianalysis.ii

Heatiitransferiiproblemsiicaniibeiisolvediiusingiistructura

liiandiifluidiiflowiianalysisiimethods:ii ⮚ Iniiaiithermaliistructuraliianalysis,iitheiieffectiiofiitheii

movingiiairiioriiaiimovingiiliquidiiisiiapproximatedii

byiiaiiseriesiiofiiboundaryiiconditionsiioriiloads.ii ⮚ Iniiaiithermaliifluidiianalysis,iitheiieffectiiofiitheiiairiio

riiaiiliquidiiisiicalculated,iiincreasingiitheiiruniitimeiibutiialsoiiincreasingiioveralliisolutioniiaccuracy.iiii

3.2.iiiiBOUNDARYiiCONDITIONS: Sl.iiNo.ii Loadsii Valueii

1ii Inletiitemperatureii 450oCii 2ii Heatiitransferiicoefficienti

i iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii69iiW/m2

iiK

iiiii3ii Ambientiitemperatureii iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii27oCii 4ii Materialiiused AluminumiiAlloy

5 Thermaliiconductivity 165iiW/m2iiK

iiii3.3.iiiiiiANSYSiiMODELS:

iiiiiiiiiiiiiiiiiiii iiiiii1.iiDesigniiimportediifromiiCATIAii

iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii2.iiiiMeshingiiiiii

ii iiiiiiTemperatureiiDistributionii(isometriciiview)

iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiTemperatureiiDistributionii(Frontiiview)

iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiTemperatureiiDistributionii(Topiiview)

iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiTemperatureiiDistributionii(Sideiiview)

iiiiiiiiiiHeatiifluxiiDistribution

IV.iiiiiiLITERATUREiiSURVEYii

ii Iniithisiiprojectiitheiidesignediipartiisimulatediiandiitheiiheatiitr

ansferiifromiicylinderiitoiiairiiofiiaiitwo-strokeiiinternaliicombustioniifinnediiengine.iiTheiicylinderiibodyii

providediiwithiifinsiihaveiibeeniinumericallyiianalyzediiandiioptimizediiiniiorderiitoiiincreaseiitheiieffectivenessiiofiicooling.Theiimaximumiitemperatureiiadmissibleiiatiitheiihottestiipointiiofiitheiiengineiihasiibeeniiadoptediiasiitheiilimitingiicondition.iiIniiparalleliiwithiitheiitotaliivolumeiireduction,iiaiislightiiincreaseiiiniiengineiiHeatiitransferiiefficiencyiihasiibeeniiachieved.iiAndiiIiianalyzediitheiithermaliipropertiesiibyiivaryingiigeometry,iimaterialiiandiithicknessiiofiicylinderiifins.iiTheiimodelsiiwereiicreatediibyiivaryingiitheiigeometry,iirectangular,iicirculariiandiimoderniishapediifinsiiandiialsoiibyiivaryingiithicknessiiofiitheiifins.iiMaterialiiusediiforiimanufacturingiicylinderiifiniibodiesiiwasiiAluminumiiAlloyii204iiwhichii

hasiithermaliiconductivityiiofii130-170W/m.kiiandiialsoiiusingiiAluminumiialloyii6061iiandiicastiiironiiiialloy.iiIiiconcludediithatiibyiireducingiitheiithicknessiiandiibyiichangingiitheiishapeiiofiitheiifiniitoiicurveiishaped,iitheiiweightiiofiitheiifiniibodyiireducesiitherebyiiincreasingiitheiiefficiency.iiTheiiweightiiofiitheiifiniibodyiiisiireducediiwheniiaiimodifiediidesigniiisiius

ediiandiiusingiicirculariifin,iimaterialiiAluminumiialloyii6061iiandi

ithicknessiiofii2.5mmiiisiibetteriisinceiiheatiitransferiirateiiisiimoreii

andiiusingiimodifiediidesigniifinsiitheiiheatiilostiiisiimore,iiefficiencyiiandiieffectivenessiiisiialsoiimore.iiNumericaliiSimulationsiiusediitoiidetermineiiheatiitransferiicharacteristicsiiofiidifferentiifiniiparametersiinamely,iinumberiiofiifins,iifiniithicknessiiandiidesign.ii 1. Largeiinumberiiofiifinsiiwithiilessiithicknessiicaniibeiipreferrediiiniihighiispeediivehiclesiithaniithickiifinsiiwithiilessiinumbersiiasiiitiihelpsiiinduceiigreateriiturbulenceiiandiihenceiihigheriiheatii

transfer.

V.iiMETHODOLOGYii ii

TheiimainiiaimiiofiithisiiprojectiiisiitoiiincreaseiitheiiheatiidissipationiirateiiofiitheiigiveniiengineiicylinderiiandiitoiianalyzeiidistributioniiofiidifferentiipropertiesiilikeiiTemperature,iiTotaliiheatiifluxiiandiiDirectionaliiheatiifluxiibyiimodifyingiitheii

designiiusediiforiitheiicylinder,iiMaterialiiofiitheiiCylinderiiandiiLineariiDimensions.ii

ThereiiareiitwoiiwaysiitoiiincreaseiitheiirateiiofiiHeatiitransferiiforiidissipationiiofiiHeatiifromiitheiiCylinderiiwallsii

1. IncreasingiitheiiSurfaceiiHeatiitransferiicoefficient(hiivalue),ii

2. IncreasingiitheiiOuteriisurfaceiiareaiiofiitheiiComponentii(Cylinder)iiwhichiiisiiiniicontactiiwithiitheiiambientiiatmosphericiiair.ii

3. Increasingiitheiifiniilengthiitoiigetiimaximumiieffectiveness. ii

5.1.iiIncreasingiitheiisurfaceiiheatiitransferiicoefficient:iiToiiincreaseiitheiiSurfaceiiHeatiitransferiicoefficient,iiTheiiflowingiifluidiiwhichiiflowsiiwithiiaiiNaturaliifrequencyiiandiiToiiwhichiiHeatiiisiitransferringiineediitoiiflowiiwithiihigheriivelocityiisoiithatii

valueiiofiiSurfaceiiHeatiitransferiicoefficientiimayiiincrease.iiBecauseiiheatiitransferiicoefficientiiisiidirectlyiiproportionaliitoiitheiivelocityiiofiifluidiiflowing.iiButiiitiirequiresiiArtificialiimeansii

likeiiInstallationiiofiiPumpiioriiBloweriitoiiforceiiwhichiiweiicallii

itiiasiiForcediiconvection.ii Oneiianotheriimeansiithatiitheiiexistingiimaterialiicaniibeii

replacediibyiianotheriimaterialiiwhichiihasiiaiihigheriivalueiiofii

heatiitransferiicoefficientiithaniithatiiofiipreviousiione.iiButiiweiicannotiigiveiianyiiassuranceiitoiitheiiEconomyiiofiitheiiproductiibecauseiitheiicostiiofiimaterialiimayiiincreaseiioriisometimesiitheiireplacediimaterialiicannotiiserveiiasiigoodiiasiitheiifirstiioneiiconcernediiwithiiotheriipropertiesiiofiitheiiIdealiimaterialiirequired.iiForiiExample,iitheiirequirementiiisiithatiimaterialiiforiianiix-componentiishouldiibeiiductileiiiniinatureiiandiineediitoiihaveii

higheriiheatiitransferiicoefficient.ii Takeiimaterial-

1iiwhichiiisiipurelyiiductileiiiniinatureiibutiiit’siivalueiiofiiheatiitransferiicoefficientiiisiimoderateiiandiiletiiusiiconsideriithatiitheiimaterial-2iiisiihavingiigoodiiheatiitransferiicoefficientiivalueiibutiinotiiductileiiiniinatureiimayiibeiiharderiiandiibrittleiiiniinature.iiForiicasesiilikei

itheseiiweiigoiiforiialloysiiofiidifferentiimaterialsiitoiisatisfyiitheiineedsiiofiibothiistructuraliiandiithermaliirequirements.ii

Henceiimaximumiieffortiineedsiitoiibeiiputiitoiiproduceiialloysiiwhichiiisiinotiieconomicaliiandiitimeiiconsuming.iiThat’siiwhyiith

eiialternateiimethodiicallediifinsiiextendediisurfacesiiisiifollowedii

byiiIndustrialists,iiDesignersiietc.ii ii

ii 5.2.iiFewiiReasonsiithatiiIllustratingiiImportanceiiofiiusageiiofiifins:ii 1. “K”iishouldiibeiiasiihighiiasiipossible,ii(copper,iialuminum,iiiron).iiAluminumiiisiipreferred:iilowiicostiiandiiweight,iiresistanceiitoiicorrosion,iigoodiithermaliiconductivity.ii 2. p/Aciishouldiibeiiasiihighiiasiipossible.ii(RatioiiofiiPerimeteriitoiicrossiisectionaliiarea) 3. Mostiieffectiveiiiniiapplicationsiiwhereiihiiisiilow.ii(Useii

ofiifinsiijustifiediiifiitheiimediumiiisiigasiiandiiheatiitransferiiisiibyiinaturaliiconvection).ii

5.3.iiiiProblemiiDefinition:ii

IniitheiipresentiiProjectiiinvestigationiioniithermaliiissuesiioniiautomobileiifinsiiwereiicarriediiout.iiInvestigationiiyieldsi

itheiitemperatureiibehaviouriiandiiTotaliiHeatiifluxiiandiiDirectionaliiheatiifluxiiofiitheiiCylinderiifinsiidueiitoiihighiitemperatureiiiniitheiicombustioniichamber.iiANSYSiiWORKBENCHi

iisiiutilizediiforiianalysis.iiTheiianalysisiiisiidoneiiforiimodifiediiDesigniiAlsoiitheiimaterialiiisiichangediisoiithatiibetteriiheatiitransferiirateiicaniibeiiobtained.ii

ii

5.4.iiiiSteadyiistateiithermaliianalysis:ii AiiSteadyiistateiithermaliianalysisiicalculatesiitheiieffectiiofiist

eadyiithermaliiloadiioniiaiisystemiioriicomponent,iianalystsiiwereii

alsoiidoingiitheiisteadyiistateiianalysisiibeforeiiperformingiitheiitransientiianalysis.iiWeiicaniiuseiithisiianalysisiitoiidetermineiitemperature,iithermaliigradient,iiheatiiflowiiratesiiandiiheatiifluxiiiniianiiobjectiithatiidoesiinotiivaryiiwithiitime.ii

AiiSteadyiistateiithermaliianalysisiimayiibeiieitheriilineariiwit

hiiconstantiimaterialiipropertiesiioriinonlineariiwithiimaterialiipropertiesiithatiidependiioniitemperature.iiTheiithermaliipropertiesiiofiimostiimaterialsiidoiivaryiiwithiitemperature,iisoiianalysisiiisiiusuallyiinonlinear.ii ii

5.5.iiAssumptionsiiforiianalysis:ii • Theiitemperatureiiofiitheiisurroundingiiairiidoesiinotiicha

ngeiisignificantly.ii • Constantiiheatiitransferiicoefficientiiisiiconsiderediiatiith

eiiairiiside.ii • Theiiheatiigenerationiiisiineglected.ii • MostiiofiiMaterialiipropertiesiiareiiconstant(suchiiasiiTh

ermaliiconductivity,Elasticityiimodulus,Coefficientiiofiithermaliiexpansion,etc)ii

iiiiii

VI.iiRESULTSiiANDiiDISCUSSIONii ii

Aiimodeliiofiicylinderiiwithiifinsiimountediioniiitiiisiiusedii

foriianalysisiiiniitheiipresentiiproject.iiThisiiisiiimportediiintoii

ANSYSiiworkbenchiienvironmentiiandiiboundaryiiconditionsiiwereiiappliediiasiimentionediiabove.iiAnalysisiiisiicarriedii

outiiforiidifferentiigeometryiiofiifinsii(circulariiandiirectangular)iiwithiivariousiithicknessesiiandiimaterials.iiTheiiresultsiiareiishowniibelow,ii ii iiiiFiniiTypeiiiiiiiiii:iirectangulariiannulariifinsiiwithiicurvediiedges iiiiMaterialiiiiiiiiiiii:ii aluminumiialloyii iiiiFiniithickness:ii3mmiiiiiiiiiiiiiiii iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii 6.1.iiRESULTSii

EngineiiTemperature

Heatiiflux AmbientiiTemperatures

Minimumii ii iiiiii108oC 1810iiW/m²ii iiiiiiiiii27oC

Maximumi

i iiiiiiii750ii°C 170250iiW/m²ii iiiiiiiiii27oC

⮚6.1.iiiiTemperatureiiDistribution:iiii FromiitheiiaboveiiresultsiiofiiANSYSiiWorkbenchiitemperaturesii

areiiobtainediiatiidifferentiilocationsiiofiitheiidesigniipart.iiTheiiiimaximumiitemperatureiiatiitheiiinsideiiofiitheiicylinderiiisii450oC,iiminimumiitemperatureiiisii108oCiiandiiaverageiitemperatureiiobtainediiisii320OC.Comparingiitoiitheiinormaliidesigniiofiifinsiithisiiengineiifinsiidesigniiimprovesiitheiicoolingiirateiidueiitoiilargeiisurfaceii

areaiiwhichiiisiiobtainediibyiiprovidingiimoreiino.iiofiifinsiiandiitheii

lengthiiofiifiniiisiidesignediiasiiperiitheiirequirementiisuchiiasiiatiitopiiofiicylinderiitheiitemperaturesiiareiihigheriithaniitemperaturesiiatii

bottomiideadiicentre,becauseiicombustioniiinitiallyiistartsiiatiitheii

topiideadiicenteriiandiitheiigasesiigeneratediidueiitoiicombustioniiareiiexpandediitoiitheiibottomiideadiicentre.iiAsiitheiisurfaceiiareaiiisii

largeiithereiiisiimoreiiheatiitransferiifromiifiniitoiitheiiatmosphereii.

⮚6.2.iiiiTotaliiHeatiiflux:iiii Wheniiitiiisiimatteriiofiitotaliiheatiifluxiiconductediibyiitheiicyli

nderiitheiivariationiiobservediiisiiasiifollows:ii iiIniinormaliidesigniiofiifinsiii.eiicirculariioriirectangulariifinsiitheiiheatiitransferiiperiiunitiiknowniiasiiHeatiifluxiiisiiiilessiicomparediitoii

thisiidesign.iiFinallyiiIiiobservediithatiithereiiisiianiiincreaseiiiniiheatiifluxiidueiitoiitheiicurvediidesigniiatiitheiiendsiiofiifin. 6.3.iiDirectionaliiHeatiiflux:ii

IniicaseiiofiiDirectionaliiHeatiifluxiialliitheiiresultsiiareiisimilariitoiiTotaliiHeatiifluxii

TheiiDirectionaliiheatiifluxiiconductediibyiitheiimaterialiiincreasesiiwithiiincreaseiiiniiamountiiofiimaterialiibutiidecreasesiiwithii

increaseiiiniifiniithicknessiiandiiitiiisiihighiiiniicurvediiiigeometryiiwheniicomparediiwithiiotheriiiigeometry.iiAluminumiialloyiifiniiconductsiimoreiidirectionaliiheatiithaniithatiiofiicastiiironiialloyiifiniiwithiitheiisameiigeometryiiandiifiniithickness. ii ii

VII.iiCONCLUSIONii

ii Iniipresentiiwork,iiaiicylinderiifiniibodyiiisiimodellediibyii

usingiiCATIAiiV5iiiiandiiStaticiithermaliianalysisiiisiidoneiibyii

usingiiANSYSiiWorkbench.iiTheseiifinsiiareiiusediiforiiairiicoolingiisystemsiiforiitwoiiwheelers.iiIniipresentiistudy,iitheiiFini

idesigniiisiimodifiediitoiiimproveiitheiieffectivenessiiandiiHeatiitransferiiefficiency.

VIII.iiREFERENCESii

1. G.iiGaneshiiKumar,iiK.iiSridhar,iiandiiB.iiAniliiKumar,ii(2015)ii“ExperimentaliiStudiesiioniiConjugateiimixediiConvectioniiHeatiiTransferiiThroughiiPerforatediiFins”,iiInternationaliiJournaliiofiiScience,iiEngineeringiiandiiTechnologyiiResearch,iipp.ii1803-1808,iiE-ISSN:ii2278ii–ii7798.

2. J.iiG.iiBartasiiandiiW.iiH.iiSellers,"iiRadiationiiFiniiEffectiveness,"iiJOURNALiiOFiiHEATiiTRANSFERii,iiTRANS.iiASMEii,iiSerieiisii

Cii,iivol.ii82ii,iinoii.ii1.iiFeb.,ii1960,iip.ii73.

3. iiD.iiB.iiMacKayiiandiiE.iiL.iiLeventhal,ii"RadiantiiHeatiiTransferiiFromiiaiiFlatiiPlateiiUniformlyiiHeatediiAlongiiOneiiEdge,"iiNorthiiAmericaniiAviation,iiInc.,iiReportiiMiiDii58-187,iiAugust,ii1958.

4. J.iiE.iiWilkins,iiJr.,ii"MinimizingiitheiiMassiiofiiThiniiRadiatingiiFins,"iiJournaliiofiiAeronauticaliiSciences,iivol.ii27,iino.ii2,iiFeb.,ii1960,iip.ii145.

5. E.iiN.iiNilsoniiandiiIt.iiCurry,ii"TheiiMinimumiiWeightiiStraightiiFini

iofiiTriangulariiProfileiiRadiatingiitoiiSpace,"iiJournaliiofiiAeronauticaliiSciences,iivol.ii27,iino.ii2,iiFeb.,ii1960,iip.ii146.

6. J.iiE.iiWilkins,iiJr.,ii"iiMinimumiiMassiiThiniiFinsiiWhichiiTransferii

HeatiiOnlyiibyiiRadiationiitoiiSurroundingsiiatiiAbsoluteiiZero,"iiJ.iiSoc.iiIndust.iiandiiAppliiMath.,iiDec.,ii1960.ii