بخشی از مقاله
خلاصه
این مقاله یک تحقیق عددی است که بر روی انتقال حرارت جابجایی اجباری جریان نانوسیال -Al2O3 - آب - داخل یک میکروکانال با هندسههای میکروپینفین مختلف مطالعه کرده است. جریان خنککاری از روی سطح پایینی میکروکانال که دارای شرط مرزی دما ثابت است عبور می کند. یافتن نوع هندسه بهینه و فواصل طولی و عرضی و ارتفاع بهینه پینفینها اهداف این کار بوده است. نتایج به دست آمده به صورت ضریب افت فشار بی بعد - f - ضریب انتقال حرارت جابجایی بی بعد، یعنی عدد ناسلت - Nu - ونهایتاً عملکرد کلی میکروکانال به صورت معیار C.B.R ارائه شده است. افزودن میکروپینفینها با بالابردن سطح انتقال حرارت و افزایش دفع حرارت از سطح هیتسینک باعث بهبود انتقال حرارت میشوند که البته این موضوع با افزایش افت فشار سیال عبوری نیز همراه است. نتایج نشان میدهند که در بین 8 هندسه مطالعه شده در این کار، هندسه های SEF و کپسول شکل به ترتیب بهترین عملکرد حرارتی را دارا می باشند. همچنین نتایج مربوط به ابعاد بهینه قرارگیری این پینفینها در جدول 2 ارائه شده است.
.1 مقدمه
توسعه روزافزون دستگاههای الکترونیکی مدرن که از مدارهای سرعت بالا و تراکم بالا ساخته شدهاند و حرارت بالایی تولید می کنند، باعث افزایش نیاز به سیستمهای خنک کاری با کارایی بالا برای تضمین عملکرد مناسب و پایداری دستگاهها شده است که از این میان میتوان به هیتسینکهای میکروکانال پین فین دار اشاره کرد. این سیستمها به علت وزن پایین و حجم کم، برای استفاده در خنک کاری تراشههای با تولید حرارت بالا بسیار کارآمد هستند. در مرحله بعد جهت افزایش کارایی این سینکها و یا به عبارتی میزان انتقال حرارت آنها، هندسهها و آرایشهای مختلف قرارگیری پین فینها بر روی آنها مطالعه میشود، تا حالت بهینهای که بالاترین انتقال حرارت و بعضاً پایینترین افت فشار را به دست می دهد انتخاب شود. همینطور می توان به استفاده از نانوسیالهای مختلف به جای آب خالص اشاره کرد که به صورت چشمگیر عملکرد حرارتی میکروکانالها را بهبود می بخشند.
سودفاکدی - Soodphakdee - و همکاران [1] با بررسی عملکرد حرارتی هیت سینکهایی با هندسههای مربعی، دایره ای و بیضوی پرهها در آرایشهای منظم و مثلثی به این نتیجه رسیدند که در تمامی این هندسهها، آرایشهای مثلثی در گرادیان فشار و دبی معین بالاترین عملکرد حرارتی را داراست و بیان میکنند که این روش قابل استفاده برای مقایسه هندسههای تکرار شونده در محیطی مشابه می باشد. سودفاکدی - Soodphakdee - و همکاران همچنین [2] طی یک مطالعه عددی سعی کردند پارامترهای بهینه هندسی را برای یک هیت سینک طراحی کنند. نتایج به دست آمده منجر به یک رابطه تجربی شد که در برگیرنده مجموعهای از متغیرهای هندسی برای بازه ای از رینولدزهای واقعی است. محمد [3] - Muhammad - بر روی عملکرد حرارتی هیت سینک پین فین دار شش وجهی با هندسه معمول مطالعه کرده و عملکرد حرارتی و افت فشار آنها را بررسی کردهاند. آنها نتیجه گرفتند در گرادیان فشاری و دبی معین هندسه شش وجهی منجر به عدد ناسلت بالاتری نسبت به فینهای مربعی و عدد ناسلت پایین تری نسبت به فینهای دایره ای می شوند. ریچی - Ricci - و مونتلپار - [4] - Montelpare طی یک مطالعه تجربی اقدام به ارزیابی h به صورت بی بعد یعنی عدد ناسلت به روش ترموگرافی مادون قرمز کردند. آنها با مقایسه بین هندسههای مختلف فین به این نتیجه رسیدند که انتقال حرارت در فینهای مثلثی و لوزیوار بهتر است. اوزول - Uzol - و جامجی - Camci - [5] به صورت تجربی عملکرد حرارتی کانال پین فین دار را با سه نوع پینفین دایرهای، SEF و N fin با روش ترموگرافی کریستال مایع بین رینولدزهای 18000 تا 86000 مطالعه کردهاند. آنها مشاهده کردند که پینفینهای SEF و N fin وابستگی پایینتری به رینولدز در مقایسه با پینفینهای دایرهای دارند.
شاخص برای توصیف عملکرد کلی آرایهی پین فینها به کار رفته است. نتایج نشان میدهد که SEF1 و N fin دارای شاخصهای عملکردی بسیار بالاتری نسبت به پینفین دایرهای است. شاهین - Sahin - و همکاران [6] به صورت تجربی بر روی انتقال حرارت و افت فشار در میکرو کانال با خنک کننده نانوسیال -TiO2آب کار کردند و تاثیر پارامترهایی مانند سرعت جریان و کسر حجمی ذرات را بر انتقال حرارت مطالعه کردند. آنها نتیجه گرفتند نانو سیال -TiO2آب انتقال حرارت بهتری نسبت به آب خالص دارد و به افت فشار بیش از حدی منجر نمیشود. هونگ - Hung - و همکاران [7] عملکرد حرارتی میکروکانال را با چند نانو سیال بررسی کردهاند و به این نتیجه رسیدند که عملکرد نانوسیال -Al2O3آب بهتر از دیگران است؛ به طوری که نتایج انتقال حرارت با نانوسیال -Al2O3آب به میزان 21/6 درصد بهتر از آب خالص است. هو - Ho - و چن [8] - Chen - طی یک فرآیند تجربی انتقال حرارت میکروکانال مسی را با نانوسیال -Al2O3آب مطالعه کردهاند که دارای اعداد رینولدز بین 133 و 1515 بوده است. نتایج نشان می دهد که نانوسیال -Al2O3آب به میزان قابل توجهی مقدار ضریب انتقال حرارت جابجایی بالاتری از آب خالص، به عنوان خنک کننده، به دست میدهد و یا به عبارتی عملکرد میکروکانال در استفاده از نانوسیال بهتر از آب خالص است. لیو - Liu - و همکاران [9] هیت سینکهایی با پرههای مربعی و آرایش مثلثی را برای ارزیابی عملکرد حرارتی و جریان سیال مورد مطالعه قرار دادند، که در آنها از آب برای خنک کاری در بازهی رینولدز بین 60 تا 800 استفاده شده است. آنها نتیجه گرفتند که عدد ناسلت و افت فشار هر دو با عدد رینولدز افزایش می یابد و مقاومت حرارتی با افت فشار کاهش می یابد. حسن [10] - Hasan - به صورت عددی میکروکانال پین فین دار را با هندسههای مربعی مثلثی و دایره ای با استفاده از نانو سیالهای الماس-آب و -Al2O3آب و آب خالص برای اعداد رینولدز 100 تا 900 مورد مطالعه قرار داده است. نتایج نشان می دهد که در تمامی موارد، انتقال حرارت در استفاده از نانوسیالها بهبود می یابد و در عین حال باعث افزایش افت فشار میشود. اکثر مطالعات انجام شده در مقالات برای بررسی انتقال حرارت و ویژگیهای جریان در چاه حرارتی پینفیندار از هندسههای محدود استفاده کردهاند و تأثیر فواصل طولی و عرضی مطالعه نشده است. به همین خاطر ما در این مقاله سعی داشتهایم این کاستیها پوشش داده شود و بهینهترین حالت بدست آید.
.2 شرح مسئله
مدلی که در این مقاله بررسی شده است، میکروکانال پینفیندار می باشد که شامل پینفینهایی با چندین شکل از جمله مربعی، دایره ای، مثلثی، بیضوی و ... است. طول میکروکانال 16 میلیمتر و عرض و ارتفاع آن به ترتیب 6 میلیمتر و 1 میلیمتر است. تمام پینفینهای همشکل یکسان و سطح مقطع هر یک از پینفینها برابر با 0/1963 میلی متر مربع - مساحت دایره با قطر 0/5 میلیمتر - است. دلیل انتخاب این مقدار اینست که در ابتدا برای اعتبارسنجی از پینفین استوانهای به این مساحت که مشترک بین این مقاله و کار مرجع است [10] استفاده شد و با انتخاب این مساحت برابر و بالتبع حجم کل برابر برای تمامی پینفینها توانستیم مقایسهی صحیحی بین انواع هندسهها داشته باشیم. برای ارزیابی و مطالعه از معیارهای عدد ناسلت که همان ضریب انتقال حرارت جابجایی بیبعد است و سپس پارامتر f که همان افت فشار بیبعد و کمیت C.B.R با روابطی که در بخش بعد آمده برای انتخاب هندسهی بهینه استفاده شد. مدل فیزیکی میکروکانال و هندسه پینفینها به ترتیب در شکل 1 و 2 نشان داده شده است. با توجه به اینکه منابع مختلف مانند 11]،10،[1 تمایز آرایش »مثلثی« را متذکر شدهاند، ما در این مقاله این آرایش را بکار بردهایم.
