بخشی از مقاله
خلاصه
این تحقیق به شبیهسازی CFD جریان در میکروکانالهای مارپیچی شکل به منظور بررسی انتقال حرارت وتأثیر پارامترهای هندسی بر ضریب انتقال حرارت درآرایشهای مختلف مارپیچی - زیگزاگی،مارپیچی با خم منحنی و خم نود درجه - میپردازد. بدین منظور ابتدا یک میکروکانال مارپیچی با مقطع مستطیلی و قطرهیدرولیکیm به صورت آزمایشگاهی موردبررسی قرارگرفت و پس از شبیهسازی این میکروکانال و حصول اطمینان از صحت شبیه سازی، سایر حالتهای مارپیچی از طریق شبیه سازی مورد بررسی قرار گرفتند
نتایج شبیه سازی حاکی از آن است که آرایشهای مارپیچی دارای عملکرد حرارتی مطلوبی نسبت به میکروکانال مستقیم میباشند. در کانالهایی با خم منحنی افزایش شعاع انحنا و کاهش طول صاف بین خمها باعث افزایش ضریب انتقال حرارت میشود. همچنین کاهش زاویه خم در آرایش زیگزاگی و کوتاه کردن فاصله بین دو خم در آرایش مارپیچی با خم نود درجه منجر به افزایش ضریب انتقال حرارت در این میکروکانالها میشود. در بین این آرایشها میکروکانالهایی با خم نوددرجه دارای بهترین عملکرد میباشد.
1. مقدمه
در چنددهه اخیر، ابداعات بسیاری در جهت افزایش نرخ انتقال حرارت به منظور ذخیرهسازی انرژی، کنترل گرمایی، فشرده سازی و...صورت گرفته است. میکروابزارها به عنوان یکی از پرکاربردترین تجهیزات صنعتی هستندکه توانایی انتقال گرما با نرخ بالا در یک حجم کوچک را در فراهم میآورند.استفاده از میکروکانال بهمنظور انتقال گرما و خنکسازی در دو دهه اخیر موردتوجهقرارگرفته است.
برای نخستین بار این بحث توسط Tuckerman وPease [1] در سال 1981 مطرح شد. از این دوره، سیل توجهات به سمت کاربرد میکروکانال در انتقال حرارت روانه شد. Harms و همکاران[2]انتقال حرارت جابهجایی اجباری سیال آب را در میکروکانالهای مستطیلی با ضخامت 1000 میکرومترموردمطالعهقراردادند.Al-Nimr و همکاران [3] ، رفتار جریان توسعهیافته برای حالت جریان موازی در مبدلهای حرارتی میکروکانالی را مورد تحلیل عددی قراردادند و نتایج قابل قبولی از مدلسازی عددی بدست آوردند.
Qu و همکاران [4] بهصورت آزمایشگاهی و نیز مدلسازی عددی میکروکانالهای با سطح مقطع ذوزنقهای بر پایه سیلیکون را بررسی کردند. آنها افت فشار و نیز عدد ناسلت بیشتری را نسبت به مقادیر بهدستآمده از فرمولهای پیوستگی مشاهده کردند. درحالیکهWu و [5] Cheng مطابقت مناسبی را بین دادههای آزمایشگاهی و نتایج بهدستآمده از تئوری پیوستگی برای میکروکانالهای با سطح مقطع ذوزنقهای بر پایه سیلیکون گزارش کردند.در خنککنندههای گرمایی که مورداستفاده قرار گرفت، اغلب از میکروکانالهای مستقیم استفاده میشد. این میکروکانالها اگرچه انتقال گرما را به دلیل سطح بالا افزایش میدادند، اما اختلاط سیال در آنها بسیار ضعیف بوده و بازده حرارتی مناسبی نداشتند میکروکانالهای مارپیچی یکی از مناسبترین گزینهها برای افزایش نرخ انتقال حرارت در تجهیزات میباشند که پتانسیل بالایی برای کاربردهای حرارتی مختلف مانند خنک سازی تجهیزات را داراهستند. وجود نواحی منحنی در این کانالها و نیز ظرفیت قرار دادن طول زیادی از کانال در یک حجم کوچک موجب عملکرد مطلوب حرارتی این کانالها میشود.به همین دلیل امروزه توجه بسیاری از محققان به بررسی میکروکانالهای با مسیر پرپیچ و خم به منظور انتقال حرارت معطوف شده است.
با توجه به دشواری انجام آزمایش در زمینه انتقال حرارت در میکروکانالها،بیشتر محققین به مدلسازی این میکروکانالها پرداخته اند. از جمله فعالیتهای انجام شده در این زمینه میتوان به مطالعه روی میکروکانالهای موجی شکل اشاره کرد که توسط Sui وهمکاران[6]انجام شد. آنها با شبیهسازی CFD این میکروکانالها و مقایسه ضرایب انتقال حرارت به دست آمده از شبیه سازی و نتایج آزمایشگاهی تطبیق مناسبی بین نتایج آزمایشگاهی و نتایج معادلات ناویر-استوکس یافتند.Xiongو[7] Chung ،به بررسی هیدرودینامیک جریان آب درمیکروکانالهای مارپیچی با خم نود درجه پرداخته و ضریب افت خم های نود درجه را در رینولدزهای مختلف محاسبه کردند.
Mohammedوهمکاران [8] ، توسط شبیه سازی CFD به مطالعه تأثیر شکل میکروکانال برعملکرد حرارتی خنک کنندهها پرداختند.آنها با استفاده از حل سه بعدی معادلات مومنتوم و انرژی در دسته ای از کانالهای موازی با شکل های هندسی مختلف عملکرد حرارتی این کانالها را مورد ارزیابی قرار دادند.
در مقیاس ماکرو نیز مطالعات متعددی روی کانالهای مارپیچی انجام گرفته است. از جمله میتوان به تحقیقات گسترده ای اشاره کردکه Fletcher و همکاران ، با روش عددی روی کانالهای مارپیچی با شکلهای مختلف انجام دادند. در مطالعات آنها مشاهده شد که انتقال حرارت و خواص جریان در این کانالها تحت تأثیر پارامترهای هندسی مختلف میباشد.
با توجه به اهمیت نقش میکروکانالهای مارپیچی در افزایش بازده گرمایی و نقش مهم پارامترهای هندسی روی انتقال حرارت در این کانالها، در این تحقیق سعی شده است با استفاده ازشبیهسازی CFD به بررسی انتقال حرارت در میکروکانالهای مارپیچی مختلف با آرایشهای زیگزاگی، مارپیچی با خم منحنی و مارپیچی با خم نود درجه و تأثیر پارامترهای هندسی روی افزایش انتقال حرارت پرداخته شود. برای این منظور از آرایشهای مارپیچی با ده خم و مقطع مستطیلی و قطرهیدرولیکی مختلف استفاده شد. ابتدا با بررسی آزمایشگاهی یک حالت خاص از میکروکانال با خم منحنی، ضریب انتقال حرارت در این میکروکانال به صورت آزمایشگاهی تعیین شد و سپس از نتایج آن جهت بررسی صحت نتایج شبیهسازی استفاده شد. پس از حصول اطمینان از صحت روش شبیهسازی، از شبیه سازی CFD برای بررسی سایر حالات و اثر پارامترهای هندسی مختلف بر انتقال حرارت استفاده شد. پارامترهای هندسی متغیر برای آرایش زیگزاگی، زاویه بین خمها - - ، برای آرایش مارپیچی شعاع انحنا - Rc - و طول صاف بین خمها - Ls - و برای منحنی با خم نوددرجه، فاصله بین خمها - Ls - میباشد. برای مقایسه عملکرد این میکروکانالها از یک میکروکانال مستقیم با همان قطر هیدرولیکی و طول 35 سانتی متر استفاده شد.
2. روش آزمایش
برای بررسی انتقال حرارت در میکروکانالهای مارپیچی شکل،از یک میکروکانال از جنس پلکسی گلاس، با سطح مقطع مستطیلی و قطر هیدرولیک 0/8 میلیمتر استفاده شد.این میکروکانال شامل سه لایه بوده که میکروکانال در لایه میانی بهوسیله برش لیزر برش دادهشده و دو صفحه، با همان ابعاد و از بالا و پایین به این صفحه چسبیده و جدارههای بالا و پایین میکروکانال را تشکیل میدهند. صفحه بالایی از جنس پلکسی گلاس بوده و برای صفحه پایین، به منظور گرم کردن کانال،جنس مس انتخاب گردید. شعاع انحنای این میکروکانال 5 میلی متر و طول صاف بین خمها 25 میلیمترمیباشد. شکل 1 شماتیکی از این میکروکانال مارپیچی و ابعاد هندسی آن و تجهیزات آزمایشگاهی به کار رفته را نشان میدهد.
شکل -1 شماتیکی از تجهیزات به کاررفته در آزمایش و میکروکانال مورد استفاده در آزمایش
در این آزمایش برای گرم کردن میکروکانال از یک گرمکن صفحهای استفاده شداز یک کاهنده ولتاژ و یک سیستم کنترل دما به ترتیب برای تنظیم ولتاژ ورودی به گرمکن - تنظیم دمای صفحه گرمکن - و ثابت نگه داشتن دمای آن، استفاده شد.
برای تعیین دمای صفحه مسی از پنج عدد ترموکوپل سیمی نوع K، استفاده شد که به صورت متقارن به ترتیب در نزدیک ورودی، نزدیک خروجی، و مرکز صفحه مسی قرار داده شدند. یک ترموکوپل نیز در مسیر جریان آب قبل از رسیدن به میکروکانال، برای تعیین دمای آب ورودی، و یکی در اتصالات موجود در خروجی میکروکانال، برای تعیین دمای آب خروجی، تعبیه شدند. از یک ترمومتر دیجیتالی برای مشاهده و ثبت دماهای اندازهگیری شده استفاده شد. برای اندازهگیری فشار در ورودی و خروجی کانال ، از سنسور فشار استفاده گردید. در این آزمایش نیز از پمپ سانتریفیوژی برای انتقال سیال به داخل میکروکانال استفاده شد. هم چنین، تمامی داده های فشار و دما پس از گذشت زمان مناسب برای رسیدن سیستم به شرایط پایا ثبت گردیدند. آزمایشها در دبی های مختلف آب - رینولدزهای مختلف - انجام شد و به منظور حصول اطمینان از صحت و تکرار پذیری نتایج، هر آزمایش حداقل سه بار تکرار شد.
3. شبیه سازی CFD
هندسه سه بعدی میکروکانالها در نرمافزار Gambit 2.2.30 ترسیم شد. پس از ساخت هندسه سه بعدی شبکه بندی مناسب برای آرایش مارپیچی با خم منحنی و آرایش زیگزاگی از نوع شش وجهی با روش cooper و برای آرایش مارپیچی با خم نود درجه از روشSubmap انتخاب گردید. شبکه بندی به گونهای انجام شد که در نزدیکی دیوارهها به علت حساسیت محاسبات از مشهای ریزتری استفاده گردید. برای تعیین تعداد مش مناسب و بهینه، تست استقلال از شبکه1برای میکروکانال شماره یک - کانال مورد استفاده در آزمایش - انجام شده و تعداد مش بهینه برای این میکروکانال، با در نظرگرفتن ضریب انتقال حرارت جابهجایی به عنوان پارامتر معیار، عدد535000 مش بدست آمد. در مش های با تعداد بیش از این عدد، تغییر چندانی درضریب انتقال حرارت مشاهده نشد. برای سایر میکروکانالهای شبیهسازی شده نیز این تعداد مش به کار برده شد. پس از شبکهبندی شبیه سازی این کانالها توسط نرمافزار ANSYS Fluent.15 انجام شد. مدل سازی در این نرم افزار، با استفاده از حل سه بعدی معادلات بقای ناویر-استوکس انجام گرفته که این معادلات به شکل زیر ساده میشوند.
با استفاده از حل معادلات بالا میتوان سرعت، دما و فشار را برای هر المان به دست آورد. با توجه به شرایط حاکم بر سیستم، برای ساده سازی و حل معادلات فوق، فرضیات زیر به کار برده شدند:
· سیستم در شرایط پایا قرار دارد.
· سرعت در ورودی میکروکانال یکنواخت است.
· با توجه به محدوده عدد رینولدز در این آزمایشها، رژیم جریانی آرام است.
· اثرات نیروی ثقل ناچیز در نظر گرفته شده است. زیرا میکروکانال افقی قرار دادهشده و قطر آن به قدری کوچک است که اثر نیروی ثقل روی جریان ناچیز است.
· سیال تراکم ناپذیر و نیوتونی است.
· سطح دیوارهها بدون لغزش و تراوش ناپذیر در نظر گرفته شده اند.
شرایط مرزی مناسب برای ورودی و خروجی جریان در میکروکانالها به ترتیب velocity inlet و pressure outlet انتخاب و در دیواره مسی نیز شرط دما ثابت به کار برده شد.
شرایط عملیاتی فشار نسبی صفر و دمای مطلق 300 کلوین برای سیستم در نظر گرفته شد. کلیه خواص سیال در دمای متوسط توده - میانگین دمای ورودی و خروجی سیال - محاسبه شد. با توجه به محدوده عدد رینولدز در این آزمایشها - 1200 -100 - ، رژیم جریانی آرام بر سیستم حاکم بوده و در شبیهسازی نیز معادله جریان آرام به کار برده شد. برای ارتباط فشار- سرعت از الگوریتم SIMPLE استفاده شد.
