بخشی از مقاله
بررسي تجربي هيدروديناميک و انتقال حرارت جريان سيال داخل مجرا جهت خنک کاري ريب هاي مستطيلي شکل با استفاده از روش هاي غير فعال و فعال الکتروهيدروديناميک
چکيده
در کار حاضر افـزايش آهنـگ انتقـال حـرارت از ريـب هـاي عرضـي مستطيلي شکل مسـتقر در کـف کانـال بـا جابجـايي اجبـاري مـورد مطالعه است . روش هاي افزايش انتقال حرارت بـا وارد کـردن معيـار ارزيابي عملکرد روش، مورد تحليل قرار مي گيرند. از روش هاي غيـر فعال، فعال و ترکيب آنها براي اين منظور استفاده مي شود. ريـب هـا به چشمه هاي حرارتي اجزاء الکترونيکي IC ها مسـتقر در مـدارهاي الکترونيکي و ساير سطوح گرمايي موضعي تشبيه شده اسـت . ارتفـاع ريب ها به صورت مشخص از کف کانـال و در برخـي از مطالعـات در حد قابل مقايسه با ابعاد عرضـي کانـال در نظـر گرفتـه شـده اسـت .
مطالعه به صورت تجربي انجام پذيرفته است . در اين تحقيـق جريـان دو بعدي، پايا، لزج و تراکم ناپذير سيال هوا در اعداد رينولدز ٥٠٠ تا٢٠٠٠ (جريان آرام ) و ٢٠٠٠ تـا ٤٥٠٠ (جريـان آشـفته ) بـا بررسـي حالت هاي مختلف انجام گرفته است . رفتار هيدروديناميکي و انتقـال حرارت اين جريان در خنک کاري اين ريب ها در داخل اين مجراهـا با استفاده از روش هاي فعال الکتروهيـدروديناميکي ١، غيـر فعـال ٢و ترکيبي ٣ به صورت تجربي بررسي مي شود. ضمنا استفاده همزمـان از روش غير فعال و نيز اعمال روش فعال الکتروهيـدروديناميکي بـراي اولين بار است که مورد توجه در کار حاضـر بـوده و بـه عنـوان يـک نوآوري مطرح مي شود. در بررسي تجربـي ، مطالعـه بـر روي سـکوي آزمايش با استفاده از سيستم دقيق تحليل گر دما و منبـع ولتـاژ بـالا انجام گرفته است . در بررسي تجربي در مورد ويژگي هـاي بـاد کرونـا نتايج قابل توجهي بدست آمده که تاکنون در ادبيات فن کمتر بـه آن توجه شده است .
کلمات کليدي : جريان داخل مجرا، انتقال حـرارت جابجـايي، ريـب ، افزايش انتقال حرارت ، الکتروهيدروديناميک
مقدمه
خنک کاري بورد هاي الکترونيکي و ساير سطوح گرمايي موضـعي بـا جريان هوا يکي از رايـج تـرين روش هـا مـي باشـد. همـه بوردهـاي الکترونيکي از اجزاء خيلي کوچک ساخته شده اند که حرارت قابل
ملاحظه اي توليد مي کنند. خنک کاري اين اجزاء با جريان هـوا بـه صورت جابجايي اجباري از بين مجراهايي انجام مي شود [١].
استفاده از سيستم هاي بهينه فعال و غير فعال بـراي افـزايش معيـار ارزيابي عملکرد٤ براي خنک کاري بوردها و ساير سـطوح گرمـايي موضعي بکار برده مي شوند. روش هاي غير فعال بدون هـيچ مصـرف انرژي خارجي هستند در صورتي که روشهاي فعال با مصرف انرژي همراه مي باشند. مقاله حاضر براساس روش هاي فعال، غيـر فعـال و ترکيب آنها مي باشد. براي روش هاي فعال و ترکيبي از محرکه هـاي الکتروهيدروديناميکي استفاده مي شود.
Ohadi و همکاران [٢] در سال ١٩٩١ بطور تجربي افزايش انتقال گرماي جريان لوله را در حالت ورقه اي و آشفته از طريق تخليه کرونا بررسي کردند. سيال مورد آزمايش در همه آزمايش هاي آنها هوا بود.
آنها به اين نتيجه رسيدند که افزايش انتقال گرما با ايـن روش، فقـط در رژيم هاي جريان ورقه اي و گذرا با يک الکترود سيمي منفرد که در طول خط مرکزي لوله نصب شده بود، اهميت دارد. آنها همچنين اين روش را به رژيم جريان مغشوش با دو الکترود سيمي توسعه دادند.
Molki و همکاران [٣] در سـال ٢٠٠٤ تحقيـق تجربـي را انجـام دادند کـه در آن افـزايش انتقـال حـرارت جابجـايي را بـا قـرار دادن الکتـرود سـيمي در مرکـز لولـه دايـره اي در منطقـه توسـعه يافتـه هيدروديناميکي ولي توسعه نيافته از لحاظ گرمـايي بررسـي کردنـد.
آنها نتيجه گرفتندکه با حرکت در جهت جريـان و افـزايش ضـخامت لايه مرزي گرمايي درصد افزايش انتقال حرارت بيشتر مي شود.
در کار پيشين ما [٤] و کار [٥]، سطوح سوراخ دار بين ريـب هـا براي افزايش انتقال حرارت غير فعال بکار بـرده شـده اسـت . در ايـن کارها اثرات آرايش سوراخ هاي بين ريب هـاي مسـتطيلي را در يـک کانـال مسـتطيلي بررســي شــده اســت .
Sultan [٥] در سال ٢٠٠٠ تأثير شکل و اندازه سوراخ هاي ايجـاد شده در بين ريب هاي مسـتطيلي در ميـزان انتقـال حـرارت از ايـن ريب ها در حضور جريان اصلي در طول يک کانال مستطيل را مـورد بررسي قرار دادند. افزايش انتقال حرارت تا اندازه زيـادي بـه دليـل از بين رفتن گردابه ها مربوط مي شود. ولـي در بررسـي کـه ايشـان بـه عمل آورده بود تأثير تغييـرات چگـالي و نيروهـاي شـناوري را مـورد توجه قرار داده بودند. به دليل عدد ريچارد سون کم جريان ، نيروهاي شناوري نقش بسيار کمي را در اين جريان دارند.
Webb و همکاران [٦و٧] در سالهاي ٢٠٠٥ و ٢٠٠٠ بررسي هاي تجربي بر روي موانع در مسير جريان و الگوي جريان براي فاصله بين آنها انجام داد. آنها نشان دادند که اگر نسبت فاصله ريب ها به ارتفـاع آن کمتر از ٨ باشد (٨> S.b) گردابه توليد شده کل فاصـله بـين دو ريب را پر خواهد کرد. آنها ادعا کردنـد کـه بـا افـزايش فاصـله بـين ريب ها جريان اصلي به فضاي بين دو ريب نفـوذ کـرده و بـه سـطح خواهد چسبيد. در اين شرايط نقطه اي که در آن جريـان بـه سـطح چسبيده باشد بيشترين انتقال حرارت را خواهد داشت .
Buchlin و همکاران [٨] در سال ٢٠٠٢ در يک تحقيـق تجربـي انتقال حرارت جابجايي را در يک کانال با ريب هاي سوراخ دار مـورد بررسي قرار داد و بر تأثير ضريب فضاي خالي فاصله بـين ريـب هـا و عدد رينولدز کانال بر روي افزايش انتقال حرارت تأکيد کردند.
در سيستم هاي حرارتي افـزايش آهنـگ انتقـال حـرارت موجـب کاهش انتقال مومنتوم مي شود. اين پديده عدم همسويي ناميده مـي شود. با قرارگيري ريب ها در کانال فشار و مومنتوم موضـعي هـر دو افت مي کنند. بنابراين براي يک سرعت ورودي مشخص تـوان پمـپ زيادي مورد نياز است . از طرف ديگر وابسته به اثرات موضعي همچون اختلال و افزايش سـطح تمـاس ، انتقـال حـرارت افـزايش مـي يابـد.
بنابراين ضروري است که يک همسويي مناسب بـين ايـن دو پديـده متضاد ايجاد شود. ايجاد سوراخ ها براي مکش و نيز اعمال روش فعال درکانال موجب کم شدن اين عدم همسويي بطور مؤثر مي شود.
با استفاده از روش فعال، ايجاد جريـان ثـانوي بـاد کرونـا در بـين ريب ها موجب بهم زدن منطقه باز گردشي مـي شـود. در روش غيـر فعال سوراخ کردن سوراخ هاي يکسان در فضاي بين ريب ها بر روي سطح زيرين کانال گراديان فشاري از محيط به سـمت داخـل کانـال ايجاد مي کند که موجب جريان ثانوي نسبت به جريان اصلي کانـال مي شود. بنابراين ايجاد سوراخ ها بين ريب ها آرايش جريان را تغيير مي دهد. با استفاده از آرايش هاي مناسب براي اين سوراخ ها بر روي سطح زيرين کانال، انتقال حرارت افزايش مي يابـد. ترکيـب دو روش فعال و غير فعال و اسـتفاده همزمـان ايـن دو روش بـه عنـوان يـک نوآوري مطرح مـي شـود. در کـار حاضـر بـراي اجتنـاب از تغييـرات بي اعتدال در خواص فيزيکي سيال، اختلاف هاي دمـا بـين سـيال و ريب محدود شده است .
بررسي تجربي
در مطالعه تجربي ابتدا به منظـور دسـتيابي بـه اطلاعـات اوليـه روي الگوي جريان در اطراف ريب ها و منطقـه گردابـه ١ بـين ريـب هـا از سکوي آشکارسازي جريان استفاده شده است . سپس طراحي سکوي اصلي جهت اعمال شـرايط مـرزي دلخـواه انجـام گرفتـه اسـت . کـار آشکارسازي تجربي با آب در کانـال روبـاز مـدار بسـته اي کـه بـراي آشکارسازي طراحي شده است انجام شده است . در شکل هاي ١ و ٢دستگاه آشکارسازي و طرحواره هندسه مقطع مورد مطالعه نشان داده شده است . با توجه به شکل ٢ دستگاه آشـکار سـازي شـامل اجـزاي چرخ آسياب با سرعت متغير (١)، پره هاي راهنما (٢)، ريب هـا (٣)، لوله پيتو (٤)، ميکرو مولينه ٢ (٥)، مخزن ذرات کروي يا مـواد رنگـي (٦)، منبع ايجاد نور (٧) و صفحه جداکننده افقي (٨) مي باشد.
با توجه به شکل ٢ ريب هاي مستطيلي با عرض cm ١.٥ و ارتفاع cm١ به فواصل يک ، دو و سه برابر عرض شان در کف کانال روباز با عمق cm ٢١.٥ و قطر هيدروليکي cm ١١.٦٦ قرار گرفته اند و جريان آب توسط چرخ آسيابي ايجاد شده و جريان از بخش پاييني کانال بعد از عبور از پره هاي راهنما جهت داده شده و به بالاي صفحه جداکننده راه پيدا مي کند. ارتفاع آب در داخل کانال روباز نسبت به کف صفحه جداکننده cm ٨ سانتي متر مي باشد. اندازه گيري سرعت آب به توسط ميکرو مولينه و لوله پيتو انجام مي شود و يک مخزن حاوي ذرات کروي يا مواد رنگي براي تزريق ذرات کروي يا رگه هاي رنگي در آب قرار داده شده است . ذرات کروي هم چگالي با آب به عنوان ذرات سيال آشکارسازي مي شوند. يک منبع نوراني براي نوراني کردن منطقه مورد مطالعه با حضور ذرات کروي يا رگه هاي رنگي در چارچوب بالايي دستگاه قرار داده شده است . ضمنا آزمايش ها براي ريب هاي مستطيلي با فواصل cm ١.٥، ٣ و ٤.٥ نسبت به هم انجام شده است .
کنترل جريان آب ، محاسبه عدد رينولدز و آشکارسازي الگوي جريان با روش سيدينگ ٣ ذرات کروي هم چگالي با آب از جنس پلي آميد با چگالي انجام شده است . آشکارسازي تجربي با استفاده از فيلمبرداري سريع و تحليل زماني ويديويي فريم ها بوسيله دوربين ديجيتال Casio Exilim EXF 1 انجام گرفته است . اعداد رينولدز بدست آمده براساس قطر هيدروليکي کانال روباز و معادل با اعداد رينولدز سکوي اصلي مطالعه مي باشد.
شکل ٢: طرحواره سکوي آزمايش
درطراحي سکوي اصلي مطالعه به موارد زيرتوجه ويژه اي شده است :
١- جريان قبل از رسيدن به منطقه مطالعه کاملا توسعه يافته است .
٢- منطقه مطالعه طوري طراحي شده است که بتوان با حذف اثرات ديواره هاي جانبي جريان را دو بعدي فرض نمود.
٣- توان فن و سيستم هوادهي طوري طراحي شده است که جريان هاي با طيف وسيعي از اعداد رينولدز (جريان هاي آرام تا آشفته ) در آن امکان پذير است .
٤- جريان تراکم ناپذير با اعداد ماخ خيلي کوچکتر از ٠.٣ باشد.
٥- از اثرات تداخلي ميدانهاي الکتريکي ولتاژ بالا بر روي اندازه گيري دما توسط ترموکوپلها با استفاده ازروش 1DBD جلوگيري شده است .
٦- سکوي مطالعه با اجزاي مختلف آن که تحمل آزمايش هاي طولاني تا چندين ساعت مداوم را داشته باشد.
در شکل هاي٣و٤ طرحواره و تصوير نهايي سکوي مطالعه اصلي نشان داده شده است .
سکوي آزمايش با هدف انجام آزمايش ها با تغييرات مطلوب در الگوي جريان سيال به منظور بررسي افزايش آهنگ انتقال حرارت از منابع گرم (ريب ها) به سيال طراحي شده است . براي اين منظور از کانال مستطيلي عريض لازم است که جريان هوا عبور داده شود. براي اندازه گيري آهنگ حجمي جريان هوا از روزنه استفاده مي شود. نسبت قطر روزنه به قطر لوله انتخاب شده است .که مطابق استاندارد مناسب اعداد رينولدز مورد نظر کار حاضر است .
منطقه مطالعه مجرايي به طول cm٤٠ به ارتفاع cm٤ و به عرض cm٣٠ مي باشد. قطر هيدروليکي مجراي منطقه مورد مطالعه cm7/06 مي باشد. دمنده بکار رفته در سکو با دور ثابتي کار مي کند. لذا براي کنترل دبي در منطقه مکش به موازات سکوي اصلي از مسير انحرافي و نيز شيرکنترل مسير اصلي استفاده مي شود.
آهنگ جريات توسط روزنه با تکيه بر استاندارد فرانسوي شماره
١٠٢-١٠ NFX انجام گرفته است . بنابراين با توجه به اين استاندارد اندازه گيري دقيق فشارها در دو طرف روزنه و نيز اختلاف فشار نيازمند يک وسيله دقيق مي باشد. در کار حاضر براي اين منظور استفاده از مانومترهاي U شکل قائم و مايل و مايع مانومتري نفت سفيد با چگالي نسبي ٠.٨٦٥ دقت کافي را براي اختلاف فشار دارد.
در منطقه مطالعه ريب ها از سطوح مواجه با جريان سيال بـا شـار گرمايي ثابت گرم مي شوند. براي عايق بندي قسمت چسبيده به کف کانال از صفحه فيبـر نسـوز کـه عـايق حـرارت و الکتريسـيته اسـت استفاده مي شود. ريب ها در تماس بـا جريـان سـيال از جـنس ورق
آهن سيليکوني هستند. از پديـده ژول جهـت گـرم کـردن ريـب هـا استفاده مي شود. ريب ها به تعداد سه عدد با فاصله از همديگر و به ارتفاع و عرض در محل مطالعـه به کف کانال وصل شده اند. جهت اعمال شار گرمايي ثابت ، ريب ها را بطور موازي بهم وصل کرده و از منبع برق شهري و تـرانس کاهنـده براي اعمال شار گرمايي اسـتفاده شـده اسـت .
براي جلوگيري از اثرات نامطلوب ميدان الکتريکـي بـر روي عملکـرد ترموکوپل ها، سرتاسر کـف منطقـه مطالعـاتي و روي ريـب هـاي بـا صفحات آلومينيومي پوشانده مـي شـود و چشـمه هـاي حرارتـي بـه همراه ترموکوپل ها در زير اين صفحه آلومينيـومي قـرار مـي گيرنـد.
براي جلوگيري از اتصال کوتاه چشـمه هـاي الکتريکـي بـا صـفحات آلومينيومي از ورقه هاي ميکا که عايق مناسب الکتريکـي مـي باشـد استفاده مي شود. صفحات آلومينيومي بـه زمـين اتصـال يافتـه و بـه عنوان الکترود زمين استفاده مـي شـوند. بـا ايـن کـار از اخـتلال در سيستم به خصوص در بورد هاي الکترونيکي جلوگيري مي شود.
جهت اندازه گيري دما در سطح تقارن کف کانال و در امتداد جريان تعداد ٢٢ عدد ترموکوپل از نوع T(مس -کنستانتان ) استفاده شده است . موقعيت ترموکوپل ها در منطقه مطالعه در جدول ١ و شکل ٥ ارائه شده است
شکل ٥: ترموکوپل هاي جاگذاري شده
جهت پردازش دما از دستگاه ديجيتالي ADAM ساخت کشور کره استفاده شده است . اين سيستم چهار بورد اندازه گيري دما و يک بورد تبديل مطابق شکل ٦ دارد. هر بورد اندازه گيرنده اطلاعات ترموکوپل ها را دريافت و سپس بوسيله بورد تبديل به رايانه منتقل و بوسيله نرم افزاري داده هاي خروجي بصورت دلخواه جهت استفاده در تجزيه و تحليل مسأله بکار گرفته مي شود. به منظور استفاده از روش فعال الکتروهيدروديناميک در افزايش آهنگ انتقال حرارت از ريب ها به جريان سيال، از منبع ولتاژ بالا و آرايش هاي متعددي از الکترود هاي سيمي از جنس مس و الکترود صفحه اي از جنس آلومينيوم نصب شده در فاصله بين ريب ها استفاده مي شود. منبع ولتاژ بالا تا 40KV اختلاف پتانسيل بين الکترود هاي سيمي با پلاريته مثبت ايجاد مي کند و پديده کروناي بين الکترودها با شدت جريان بسيار ضعيفي ايجاد مي شود. از ميکروآمپرمتر که تا محدوده
و با دقت کار مي کند براي اندازه گيري شدت جريان استفاده شده است .
از اهداف کار حاضر مقايسه حالت اوليه کانال با ريـب هـا بعنـوان حالت صاف ١ با سه حالت روش افزايش انتقال حرارت از روي ريب ها حالت غير فعال ٢ با استفاده از سوراخ هاي بين ريب ها، حالت فعال ٣و ترکيب حالت فعال با حالت غير فعال (حالت ترکيبي )٤ پايـه گـذاري شده است . هندسه چهار حالت در شکل ٦ (a تا d) با فواصل مشخص ابعادي و موقعيتي نشان داده شده اند.
(d): حالت چهارم ترکيبي
شکل ٦: هندسه چهار حالت
در حـالات ٢و٤ (حـالات غيـر فعـال و ترکيبـي ) سـوراخ هـا بـا ٠.٠٨١= بين ريب ها با آرايـش دو رديفـه زيگزالـي نزديـک بـه ديواره قرار گرفته اند که در شکل ٧ نشان داده شده است . نسبت مساحت تمام سوراخ ها به مساحت جانبي ديواره ريب ها مـي باشـد که به صورت زير تعريف مي شود:
که در اين رابطه W عرض کانال ، d قطر سوراخ ، b ارتفاع ريب و n تعداد سوراخ ها مي باشند.
براي حالات ٣ و ٤ نظر به اينکه از طريق باد کرونا جريان هاي ثانوي به منظور به هم زدن گردابه هاي بين ريب ها ايجاد مي گردد، آرايش الکترود ها از اهميت بالايي برخوردار است براي اين منظور الکترود ها در منطقه بين ريب ها در حالت کلي شماره گذاري شده است . آرايش ها در شکل ٨ (a تا d) نشان داده شده است .
