Comparison and Validation of CFD Models for Conjugate Heat Transfer in Aluminum Cooling Profiles

This paper presents a combined numerical and experimental study of conjugate heat transfer in monolithic aluminum profiles used in oil coolers. The aim was to compare computational fluid dynamics (CFD) simulations with laboratory experiments to evaluate the accuracy of the numerical models and to analyze how profile geometry affects heat exchange efficiency. Numerical simulations were performed in OpenFOAM v10 and ANSYS CFX 2023 R1 using a steady-state formulation and the SST (Menter) turbulence model. Both the thermal conductivity of the aluminum body and convective heat transfer between the internal coolant flow and external air stream were taken into account. Five profile geometries (64, 32, 50, 45tn, 45tl) were modeled using detailed three-dimensional meshes to obtain the temperature and velocity distributions. Experimental tests were conducted on a full-scale oil cooler at an air velocity of 6 m/s, air temperature of 20 °C, and coolant temperature of 80 °C. The thin-walled profile 45tn showed the highest temperature drop (ΔT ≈ 32 °C), while the thick-walled 45tl demonstrated the lowest (ΔT ≈ 16 °C). The average deviation between CFD predictions and experimental results was ≈ 4 % for OpenFOAM and ≈ 6 % for ANSYS CFX, confirming the validity of the applied physical models and numerical settings. The obtained results provide a validated basis for the geometric optimization of aluminum profiles and for the development of compact, high-efficiency heat exchangers.

1. Стройков А.Е. Способ изготовления радиатора: пат. № 2 810 937 C1 Российская Федерация. № 2023104121; заявл. 22.02.2023; опубл. 09.01.2024. бюл. № 1. Заявитель и патентообладатель: Стройков А. Е. Доступно по ссылке: https://patents.google.com/patent/RU2810937C1, дата обращения: 01.04.2026. / Stroikov A.E. Method for manufacturing a radiator. Patent RU 2810937 C1, Russian Federation, no. 2023104121; filed Feb 22, 2023; published Jan 9, 2024. Applicant and patentee: A. E. Stroikov. Available at: https://patents.google.com/patent/RU2810937C1, accessed 01.04.2026.

2. Байметова Е.С., Митрюкова Е.А. Численное и экспериментальное исследование гидродинамики теплообменного аппарата. Труды ИСП РАН. Серия: Математическое моделирование и вычислительные методы, 2023, т. 35, № 6, стр. 235-246. DOI: 10.15514/ISPRAS-2023-35(6)-15. / Baymetova E.S., Mitryukova E.A. Numerical and experimental study of hydrodynamics of a heat exchanger. Proceedings of the ISP RAS. Series: Mathematical Modeling and Computational Methods, 2023, vol. 35, no. 6, pp. 235-246. DOI: 10.15514/ISPRAS-2023-35(6)-15.

3. Белов А.М. Исследование методом конечных элементов теплообменных процессов забортного теплообменного аппарата. Труды Крыловского государственного научного центра, 2023, № 3, стр. 405-414. DOI: 10.24937/2542-2324-2023-3-405-126-134. / Belov A.M. Finite Element Study of Heat Exchange Processes in an External Heat Exchanger. Proceedings of the Krylov State Research Centre, 2023, no. 3, pp. 405-414. DOI: 10.24937/2542-2324-2023-3-405-126-134.

4. Хабибуллин И.И. Численное моделирование процессов теплообмена в аппарате воздушного охлаждения масла. Новые технологии и оборудование, 2020, № 2, стр. 33-39. DOI: 10.37412/NTiO-2020-2-33-39. / Khabibullin I.I. Numerical Simulation of Heat Transfer Processes in an Air Oil Cooler. New Technologies and Equipment, 2020, no. 2, pp. 33-39. DOI: 10.37412/NTiO-2020-2-33-39.

5. Сурнин А.Д., Чернова А.А. Исследование рабочих процессов в маслоохладителе с копьевидными рёбрами. Материалы Ivannikov ISP RAS Open Conference (ISPRAS), Москва, Россия, 11-12 декабря 2024 г. IEEE, 2025. DOI: 10.1109/ISPRAS64596.2024.10899114. / Surnin A.D., Chernova A.A. Research of Operating Processes in Oil Cooler with Spear-Shaped Fins. In: Proc. 2024 Ivannikov ISP RAS Open Conference (ISPRAS), Moscow, Russia, Dec. 11-12, 2024. IEEE, 2025. DOI: 10.1109/ISPRAS64596.2024.10899114.

6. Сурнин А.Д. Влияние расхода охлаждающей жидкости на эффективность теплоотдачи в ребристой трубе. Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures, 2024, № 5, стр. 107-116. DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.107-116. / Surnin A.D. The Effect of Coolant Flow Rate on the Cooling Efficiency of a Finned Tube. Diagnostics, Resource and Mechanics of Materials and Structures, 2024, no. 5, pp. 107-116. DOI: 10.17804/2410-9908.2024.5.107-116.

7. Сурнин А.Д. Профиль алюминиевый ячеистый: пат. № 229 205 U1 Российская Федерация. № 2023129670; заявл. 15.11.2023; опубл. 26.09.2024. Патентообладатель: ООО «Ижевский завод радиаторов». Доступно по ссылке: https://patents.google.com/patent/RU229205U1, дата обращения 01.04.2026.

8. Ментер Ф. Р. Двухпараметрические модели турбулентности на основе вихревой вязкости для инженерных приложений. AIAA Journal, 1994, т. 32, № 8. стр. 1598-1605. DOI: 10.2514/3.12149. / Menter F. R. Two-Equation Eddy-Viscosity Turbulence Models for Engineering Applications. AIAA Journal, 1994, vol. 32, no. 8, pp. 1598–1605. DOI: 10.2514/3.12149.

9. Чернова А. А. Валидация RANS-моделей турбулентности для задачи сопряжённого теплообмена. Nonlinear Physics and Mechanics, 2024, т. 10, № 2, стр. 35-45. MSC 2010: 35Q30, 76-10, 76N15. / Chernova A. A. Validation of RANS Turbulence Models for the Conjugate Heat Exchange Problem. Nonlinear Physics and Mechanics, 2024, vol. 10, no. 2, pp. 35-45. MSC 2010: 35Q30, 76-10, 76N15.

10. Versteeg H. K., Malalasekera W. An Introduction to Computational Fluid Dynamics: The Finite Volume Method. 2nd ed. Harlow: Pearson Education, 2007. 503 p. / Верстиг Х. К., Малаласекера В. Введение в вычислительную гидродинамику: метод конечных объёмов. 2-е изд. Харлоу: Pearson Education, 2007, 503 с.

11. ANSYS Inc. ANSYS CFX-Solver Theory Guide. Canonsburg, PA: ANSYS Inc., 2024. 432 p. / ANSYS Inc. Руководство по теории решателя ANSYS CFX. Кэнонсберг, Пенсильвания: ANSYS Inc., 2024, 432 с.

12. OpenFOAM Foundation. The OpenFOAM User Guide. Version 10. London: OpenCFD Ltd, 2023. Available at: https://www.openfoam.com/documentation/overview, accessed 01.04.2026.

13. FreeCAD Development Team. FreeCAD Documentation. Version 0.19. Available at: https://www.freecad.org/, accessed 01.04.2026.