بخشی از مقاله
خلاصه
با توسعهی تکنولوژیهای ساخت میکرو ماشینها و تجهیزات در ابعاد میکرومتر امکان ساخت وسایل بسیاری در این ابعاد فراهم گردیده است. مسالهی خنککاری و انتقال حرارت در تراشههای الکترونیکی در این ابعاد از اهمیت ویژهای برخوردار است. در این مقاله به شبیهسازی عددی آرایهای از میکروجتهای برخوردی به منظور ارزیابی عملکرد ترموهیدرولیکی آنها پرداخته شده است. کد متن باز اوپنفوم در شبیهسازی مورد استفاده قرار گرفته است. پارامترهای بیبعد عدد ناسلت میانگین و سکون و ضریب اصطکاک در دو آرایش خطی و قطری از جتهای تزریق و برداشت در محدودهی اعداد رینولدز 5 الی 500 استخراج گردیده است. نتایج حاکی از آن است که تفاوت دو آرایش در اعداد رینولدز کمتر از 100 ناچیز بوده در حالی که در محدودهی اعداد رینولدز بیش از 100 آرایش قطری برتری مشخصی در نرخ انتقال حرارت نشان میدهد. ضریب اصطکاک در هر دو آرایش در محدودهی مورد بررسی تقریبا مشابه بدست آمده است. برای درک تفاوت عملکرد حرارتی دو آرایش ساختار جریان نیز مورد بررسی قرار گرفته است.
کلمات کلیدی: آرایهی میکروجتها، جریان آرام، عدد ناسلت سکون، اوپن فوم
.1 مقدمه
جت برخوردی در مواردی نیاز به انتقال حرارت زیاد در سطح کم باشد یکی از موثرترین روشهای ممکن است. شار حرارتی زیاد در کاربردهای متعددی مانند عملیات حرارتی در فلزات، فرآیند خشک کردن، خنککاری پرههای توربین و تراشههای الکترونیکی ظاهر میگردد. در جتهای برخوردی دوناحیهی سکون و جت دیواره تشکیل میشود که ضریب انتقال حرارت جابجایی در ناحیهی سکون بسیار زیاد بوده و با فاصله گرفتن از ناحیه برخورد به سرعت کاهش مییابد. میتوان با چینش آرایهای از جتهای برخوردی و ایجاد مسیرهای مناسب برای تخلیهی سیال ناحیهی موثر در خنککاری را گسترش داد. برخورد جتها با صفحه و تعامل آنها با یکدیگر سبب ایجاد میدان جریان پیچیدهای میشود که تعیین کننده توزیع انتقال حرارت در نزدیکی دیواره بوده و برای تحلیل آن، بکارگیری دینامیک سیالات محاسباتی و شبیهسازی جریان به صورت سه بعدی نیاز است.
در خنککاری تراشههای الکترونیکی به دلیل کوچک بودن ابعاد، مسیرهای جریان و نازلهای تزریق و برگشت سیال ابعادی در مقیاس میکرومتر دارند که این موضوع سبب میشود که رژیم کاری این مجموعه در محدودهی جریان آرام قرار گیرد. اکثر تحقیقات انجام شده در زمینهی جتهای برخوردی به دلیل مقیاس بزرگ نازلها در محدودهی جریان آشفته قرار میگیرند و نتایج برای آرایهای از میکروجتهای برخوردی بسیار محدود و کم است.پژوهشهای متعددی در خصوص تاثیر عدد رینولدز، سطح مقطع نازل و فاصله جت از صفحه برخورد، انجام گرفته است. سطح مقطع نازل میتواند مستطیلی، دایرهای یا به صورت اشکال دیگر باشد.
همچنین با توجه به کاربرد جتهای برخوردی میتوان از جتهای زاویهدار نسبت به صفحهی برخورد استفاده نمود. یان و صناعی در سال [1] 1997 جت زاویهدار را به صورت تجربی مطالعه کردند. آنها زاویههای 45، 60، 75 و 90 درجه را به ازای 4 مقدار متفاوت فاصلهی جت تا صفحه جهت بررسی ضرایب انتقال حرارت محلی مورد آزمایش قرار دادند. قابل ذکر است که آزمایشها برای سیال با محدودهی عدد رینولدز 10000 و 23000 صورت گرفته است. نتایج حاکی از آن است که با تغییر زاویه مورب، نقطهی بیشینه انتقال حرارت از نقطهی سکون به سمت جت دیواره دور میشود. هندسهی دیگری که به عنوان مقطع ورودی مورد استفاده قرار میگیرد بیضی شکل میباشد که لی و لی در سال [2] 2000 پارامترهای محلی انتقال حرارت را برای جتهای بیضوی به صورت تجربی مورد مطالعه قرار دادند.
همچنین لی و همکاران در سال [3] 2008 جریان سیال و انتقال حرارت در تک جت را به صورت دوبعدی شبیهسازی کردند. این پژوهش در محدودهی عدد رینولدز 50 تا500 وفاصلهی جت تا صفحهی 2 تا 5 برابر قطر هیدرولیکی نازل صورت گرفته است. آنها دریافتند که در یک عدد رینولدز بحرانی، جریان از حالت پایا به حالت ناپایا تغییر میکند و مقدار آن به فاصلهی جت تا صفحه بستگی دارد. گولاتی و همکاران در سال [4] 2009 مطالعهی تجربی جهت بررسی شکل هندسی سطح مقطع نازل در محدودهی رینولدز 5000 تا 15000 و فاصلهی جت تا صفحهی 0/5 تا 12 برابر قطر نازل انجام دادهاند.
در این پژوهش پارامترهای عدد ناسلت محلی و میانگین و افت فشار مورد بررسی قرار گرفته است. باتوجه به نتایج عدد ناسلت میانگین تحت تاثیر شکل هندسی نازل نمیباشد. شریعتمدار و همکاران در سال [5] 2015 انتقال حرارت از یک صفحهی دما ثابت که تحت برخورد آرایهای از جتهای آرام با سیال عامل هوا بود را به صورت تجربی مورد مطالعه قرار دادند. آنها تاثیر پارامترهای فاصلهی جت تا جت، تعداد و عرض جتها را به ازای اعداد رینولدز متعدد و مقادیر مختلف فاصلهی جت تا صفحه بررسی کردند. نتایج نشان میدهند که عدد ناسلت میانگین تقریبا مستقل از فاصلهی جت تا جت و ناسلت سکون مستقیما به عدد رینولدز و عرض جت بستگی دارد.
هدف از این پژوهش شبیه سازی عددی جریان سیال و انتقال حرارت آرایهای از میکروجتهای برخوردی به سطح دما ثابت، به منظور ارزیابی عملکرد پارامترهای مهم ترموهیدرولیکی مانند اعداد ناسلت محلی، میانگین و سکون و ضریب اصطکاک بوده است. همچنین میدان سرعت و خطوط جریان به منظور تحلیل الگوی حرکت سیال در ناحیهی جت برخوردی و تاثیر آن بر پارامترهای ذکر شده مورد مطالعه قرار گرفته است. آرایهی میکروجتهای مورد بررسی برخلاف پژوهش شریعتمدار و همکاران [5] شامل ترکیبی از نازلهای تزریق و مسیرهای برگشت جریان است که در دو آرایش مختلف خطی و قطری قرار گرفتهاند.
.2 شبیهسازی
در این بخش به بررسی معادلات حاکم بر فیزیک مسئله و بیان شرایط مرزی پرداخته میشود.
-1-2 معادلات حاکم
در این شبیهسازی جریان به صورت تراکمناپذیر در نظرگرفته و معادلات به صورت سهبعدی در مختصات کارتزین حل شده است. سایر فرضیات و بیبعدسازیهای انجام شده بر روی معادلات حاکم به شرح زیر میباشد :
·جریان آرام است.
·مشخصات فیزیکی سیال - آب - ثابت در نظر گرفته شده است.
