بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به پژوهشهای پیشین که پینفینهای بدون سوراخ و یا با سوراخهای دایرهای در یک موقیت خاص مورد بررسی قرار گرفت ، در این پایان نامه به تحلیل انتقال حرارت در پینفینهای سوراخدار با سوراخهایی در شکلهای دایرهای و مربعی در موقعیتهای مختلف پین فینهایی با آرایش متناوب که مزیتی به مراتب بیشتر از حالت خطی داشتهاند ، برای قرارگیری پینها انتخاب شد.
انتقال حرارت در شرایط پایا و جریان اجباری در پینفین به منظور از بین بردن حرارت اضافی تولید شده در قطعات الکترونیکی و افزایش طول عمر این قطعات با تغییر موقعیت سوراخها و تغییر شکل سوراخ سعی در انتخاب حالتی بهینه از هیتسینک شدهاست.بهترین حالت در موقعیت سه سوراخ رخمیدهد. در پینفین با سه سوراخ دایرهای با افزایش 6/31 درصدی عدد ناسلت و کاهش 9/98 درصدی افت فشار و در پینفین با سه سوراخ مربعی افزایش 10/428درصدی عدد ناسلت و کاهش افت فشار 5/5 درصدی را نسبت به حالت بدون سوراخ شاهد خواهیم بود.
ضمنا نتایج مربوط به راندمان پینفین مورد بررسی قرار گرفت که پینهای با سه سوراخ دایرهای با 16 /636 درصد و در سوراخ مربعی با17/733 درصد افزایش نسبت به حالت بدون سوراخ مناسبترین حالت برای دفع حرارت از سیستم شناختهشد.همچنین با تغییر موقعیت سوراخ در طول پینفین میزان تغییر ناسلت ، افت فشار و راندمان مورد بررسی قرار گرفت.
مقدمه
افزایش روزافزون قدرت و کارایی قطعات میکرولکتریکی و در عینحال پیشروی بهسوی کاهش اندازه و وزن این محصولات اهمیت انتقال حرارت در این قطعات بیش از پیش مورد بحث و پژوهش قرار گرفتهاست.
دمایی که قطعات الکتریکی در آن کار خواهندکرد رابطهی مستقیمی با عمرشان دارد و سبب کاهش عملکردشان خواهد شد.رایجترین روش خنکسازی و مبارزه با افزایش حرارت در این سیتمها استفاده از پینفین های آلومینیومی است.این روش با ایجاد سطح انتقال حرارت بیشتر سبب ازبین رفتن حرارت و کاهش مقاومت حرارتی در سیستم می شود.استفاده از پینفین ها همچنین سبب فضا ، وزن و را در پی دارد.
به همین دلیل شاهد استفادهی گستردهای از پینفینها در شرایطی که نیاز به فضای کوچک و در حضور حرارت قابلتوجه هستیم. همچنین یکی دیگر از مزایای آن زمانی است که مسیر جریان ، مستقیم و چندان مشخص نیست و یا تغییر میکند.کاهش دما در سیستمها نیازمند کاهش هزینه ، روش مناسب برای کاهش مقاومت حرارتی و ایجاد دمایی مناسب در مدت زمان اتصال برای مدت طولانی می باشد.
اهمیت و اهداف پژوهش
هیچ پژوهشی در زمینهی سیالات و انتقال حرارت را در محدودهی رینولدز پایین تا مقادیر میانه و همچنین عدد پرانتل در حد گسترده ، یافت که قابلیت کاربردی داشته باشند.
متاسفانه در برخی موقعیتهای زمانی که رینولدز از مقادیر کوچک تا متوسط بین جریان دیفیوز و لایهمرزی جریان آرام هستند ، رخ میدهد.بعضی از این موقعیتها بسته به علایق فردی در زمینههای جریان حول سیلندر و پینفین اتفاق میافتد.پس با درک این حقایق الزام شبیهسازی جریان سیال و انتقال حرارت حول سیلندر منفرد - دایره ای و بیضوی - و انتقال گرما در رینولدزهای متفاوت ، پرانتلهای مختلف ، ابعاد پین ، ضخامت پایه و فاصلههای طولی و عرضی ، بیشازپیش خواهدبود.
دستیابی به پاسخی تقریبا دقیق با توجه به معادلات دیفرانسیل حاکم که به صورت غیرخطی هستند و با شرایط هندسی پیچیده انگیزه برای انجام این پروژه را دوچندان کرده است.
پیشینهی تحقیق
العیسی - - AlEssa, A.H.,2009 بر روی پینفینهای سوراخدار مثلثی تحقیق کردهاست.عملکرد پینها با استفاده از سوراخ کردن آنها بهبود پیداکردهاست.شاعری و یعقوبی - Shaeri, M. and M. Yaghoubi,2009 - به تحلیل عددی جریان درهم عبوری از پینفینها پرداختهاند.آن ها به این نتیجه رسیدند که سوراخ کردن طولی پین ها سبب افزایش نرخ انتقال حرارت نسبت پینهای توپر میشود.
در پروژهای دیگر شاعری و یعقوبی - Shaeri, M. and M. Yaghoubi,2009 - دریافتند که پین فین های سوراخدار سبب افزایش انتقال حرارت خواهند شد.در این مقاله سوراخها مستطیلشکل بودند و نشان داده شد با افزایش تعداد سوراخها انتقال حرارت افزایش پیداکردهاست.بر اساس تحلیل و بررسی سهبعدی شاعری و یعقوبی و همکاران - Shaeri et al, M.,2009 - انتقال حرارت بر روی پینهای مستطیلی با سوراخهای دایرهای شاهد افزایش انتقال حرارت و کاهش وزن نسبت به پرههای توپر بودند.
کاراباماک و یاکار - - Karabacak, R. and G. Yakar,2011 تحقیق درمورد پینفینهای سوراخدار با سوراخهای دایرهای در شش زاویهی مختلف به صورت آزمایشگاهی بررسی کرد که طی این آزمایش شاهد افزایش 12 درصدی انتقال حرارت نسبت به حالت توپر فینها زمانی که رینولدز به مقادیر بحرانی می رسد ، بودند. الشفیعی - Elshafei, E,2010 - تحلیل آزمایشگاهی را روی عبور جریان طبیعی بر روی پینفین سوراخ دار انجامدادهاست.او با انجام این پروژه دریافت که اختلاف دمای محیط و پای فین با افزایش تعداد پینفین و افزایش شعاع آن نسبت به پین فین توپر افزایش مییابد. میندرس و همکاران - - Meinders, E et al,1998 و - Meinders, E et al,1999 - دریافتند که جریان بازگشتی پشت پینها بر نرخ کل انتقال حرارت تاثیرگذار است.
تاهات و همکاران - Tahat, M et al,2000 - با چیدمان طولی و عرضی پرهها در آرایشهای متناوب و خطی راندمان سیستم را بهینه کردند.
بیلن و همکاران - - Bilen, K. et al,2001بطور آزمایشگاهی ارتباط بین انتقال حرارت و اصطکاک را در پرههای استوانهای بررسی کرد.ایشان شاهد بهبود انتقال حرارت در آرایشهای خطی و متناوب نسبت به حالت بدون پره بودند.مهمتر از این نتایج اینکه در آرایش متناوب شاهد بهبود 33 درصد بیشتری نسبت به حالت خطی در رینولدزهای برابر بودند اما با افت فشار بیشتر در آرایش متناوب.
شبیهسازی عددی سود-پاکدی و همکاران - - Soodphakdee, D. et al,2001 بر روی تاثیر هندسه در عملکرد پرهها نشان داد در آرایش متناوب و خطی ، پرههای دایرهای از پرههای مربعی بهتر و پرههای بیضوی از پرههای صفحهای بهترند.
در رینولدزهای پایین - ℎ < 30 - عملکرد حرارتی بهتری با پینفین بیضوی اما در رینولدزهای بالاتر پینفین دایرهای راندمان بهتری خواهدداشت.همچنین شاهد بهبود انتقال حرارت کلی در پینفینها نسبت به حالت بدون پینفین بودند. با آزمایشاتی که ونهوسن - VanFossen, G.J.,1981 - در آرایش متناوب پینفینها انجام داد با وجود افت فشار بیشتر در پینفینهای با ارتفاع بیشتر ، شاهد افزایش نرخ انتقال حرارت در این پینفینها بود.
لی و همکاران - Lee, D.H., et al,2012 - بر روی انتقال حرارت در لولههایی که مجهز به پرههای استوانهای سوراخدار بودند در مبدل حرارتی هوا خنک کار کرده است.نتایج حاکی از این بودند که ایجاد دو و چهار سوراخ در پره باعث افزایش به ترتیب 0/68 درصد و 2/08 درصدی افت فشار نسبت به پره های ساده بود.
شاعری و جن - Shaeri, M.R. and T.-C. Jen,2012 - در تحلیل و بررسی خود اثر تعداد و اندازهی سوراخها را در پینفینها خنککننده در انتقال حرارت جریان آرام بررسی کردند.نتایج نشان داد میزان انتقال حرارت ورودی سوراخها در پینهای با سوراخ کمتر بیشتر از پینهای با سوراخهای بیشتر در تخلخلی خاص است.پس میتوان به این نتیجه پیبرد که انتقال حرارت در پینفینهای با سوراخهای کمتر بیشتر از پینفینهای با سوراخهای بیشتر است.
بیان مسئله
در این پژوهش انتقال حرارت جابجایی اجباری از طریق آرایههای پینفینهای سوراخدار در هر حالت متناوب تحت شرایط حالت پایا که در آن فینها از آلومینیوم ساخته شدهاند، مورد تجزیه و تحلیل قرار میگیرند . جریان تراکمناپذیر سه بعدی و انتقال حرارت از طریق آرایههای پینفین با نرم افزار ANSYS Fluent 18.2 شبیهسازی شده است. شکل1 ، یک مدل کامل سه بعدی از دامنه محاسباتی را نشان میدهد. فینها بر روی یک صفحه مربعی m2 - 0/1 × 0/1 - و ضخامت 3 میلیمتر نصب شدهاند. بر روی پایه، پینفینها، به صورت متناوب با فاصله ردیف و ستون 25 میلیمتر از یکدیگر قرار گرفتهاند.
شار حرارتی ثابت Wm-2 5903 در سطح پایینی صفحه پایه که به یک منبع تغذیه 60 ولت AC متصل است اعمال میشود. مدل کلی فین کلی در یک دامنه مستطیلی سه بعدی به جز سطح پایینی صفحه پایه پوشش داده شده است. ابعاد دامنه به شرح زیر است: طول1/05 متر - l - ، عرض0/12 متر - b - ، ارتفاع 0/063 متر - t - دو انتهای دامنه یکی ورودی و دیگری خروجی است و آرایه ی فین در داخل دامنه قرار دارد. فاصله از ورودی تا هیتسینک 0/745 متر و از هیتسینک تا خروجی 0/305 متر است. هوای ثابت سرعت جریان کنترل شده در محدوده 4 تا 12 متر بر ثانیه از طریق مقطع ورودی فراهم کرده و دیوارهای دامنه به صورت آدیاباتیک در نظر گرفته می شود.
