Numerical Analysis of a Multi-PCM Heat Sink for Spacecraft Electronics Under Variable Gravity

Faz değişim malzemeleri (FDM’ler), yüksek gizli ısı depolama kapasiteleri sayesinde uzay aracı elektroniğinin pasif ısıl yönetimi için cazip bir seçenektir. Bu çalışmada, değişken yerçekimi koşulları altında RT35HC, RT44HC ve RT54HC içeren üç katmanlı bir PCM ısı alıcısını incelemek amacıyla ANSYS Fluent ortamında zamana bağlı iki boyutlu bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) modeli geliştirilmiştir. Simülasyonlar, yerçekimi kaynaklı kaldırma kuvvetinin istiflenmiş PCM’lerin erime davranışı ve ısıl şarj performansı üzerindeki etkisini nicel olarak belirlemek için üç farklı yerçekimi ivmesi (g, g/4 ve g/16) altında gerçekleştirilmiştir. Sıvı kütle fraksiyonu ve sıcaklık alanları farklı zaman anlarında değerlendirilmiş; her bir PCM tabakası için bölge ortalamalı sıvı fraksiyonu ve ortalama sıcaklık zamana bağlı olarak karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, yerçekiminin erime cephesi morfolojisini, sıcaklık tabakalaşmasını ve katmanlı yapı boyunca dikey ısı taşınımının etkinliğini önemli ölçüde değiştirdiğini göstermektedir. Yerçekimi seviyesi ile tam erime performansı arasında monoton olmayan bir ilişki gözlemlenmiştir: ara yerçekimi durumu (g/4), en etkili genel ısıl şarjı sağlamış ve simülasyon süresi içinde üst katmanın erimesini tamamlamıştır. Buna karşılık, hem en düşük yerçekimi durumu (g/16) hem de 1g durumu aynı sürede üst bölgede kısmen erimiş halde kalmıştır. g/16 durumunda, kaldırma kuvvetinin baskılanması konvektif taşınımı sınırlandırmış ve yukarı doğru ısı nüfuzunu geciktirerek iletim ağırlıklı bir erime sürecine yol açmıştır. Her ne kadar 1g durumunda konveksiyon en güçlü olsa da, alt bölgede gözlenen salınımlı davranış ve daha düşük tabaka ortalamalı sıcaklıklar, kararsız yeniden dolaşım akımlarına ve yukarı yönde net ısıl nüfuzun azalmasına işaret etmekte; bu durum üst PCM tabakasının erime sürecini yavaşlatmaktadır. Bu bulgular, katmanlı PCM ısı alıcının ara yerçekimi seviyelerinde optimal bir konveksiyon rejimi sergileyebileceğini göstermekte ve düşük yerçekimi koşulları için ısı transferi iyileştirme stratejilerinin gerekliliğine dikkat çekmektedir.

Phase change materials (PCMs) are attractive for passive thermal management of spacecraft electronics due to their high latent heat storage capability. In this study, a transient two-dimensional Computational Fluid Dynamics (CFD) model is developed in ANSYS Fluent to investigate a three-layer PCM heat sink incorporating RT35HC, RT44HC, and RT54HC under variable gravity conditions. Simulations are conducted for three gravitational accelerations (g, g/4, and g/16) to quantify the impact of gravity-driven buoyancy on melting behavior and thermal charging of stacked PCMs. Liquid mass fraction and temperature fields are evaluated at multiple time instants, and region-averaged liquid fraction and average temperature histories are compared for each PCM layer. The results show that gravity significantly modifies melt-front morphology, temperature stratification, and the effectiveness of vertical heat transport through the layered structure. A non-monotonic relationship between gravity level and full-melting performance is observed: the intermediate-gravity case (g/4) achieves the most effective overall charging and completes melting of the upper layer within the simulated duration, while both the lowest-gravity case (g/16) and the 1g case remain partially molten in the top region at the same time. At g/16, suppressed buoyancy limits convective transport and delays upward heat penetration, leading to conduction-dominated melting. Although convection is strongest at 1g, oscillatory behavior and lower layer-averaged temperatures in the bottom region indicate unsteady recirculation and reduced net upward thermal penetration, which slows the melting progress of the upper PCM. These findings demonstrate that layered PCM heat sink may exhibit an optimal convection regime at intermediate gravity levels, and they motivate heat-transfer enhancement strategies for low-gravity operation.