اثر افزودن میکرولوله بر رفتار حرارتی و هیدرودینامیکی میکروکانال چاه گرمایی برای جریان نانوسیال

علوم کاربردی و محاسباتی در مکانیک

دوره 34، شماره 1 - شماره پیاپی 27، خرداد 1401، صفحه 21-36   

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

شناسه دیجیتال (DOI): 10.22067/jacsm.2022.75344.1100

نویسندگان

اکرم جهانبخشی؛ افشین احمدی ندوشن^* ؛ مرتضی بیاره

دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه شهرکرد، شهرکرد، ایران

چکیده

در پژوهش حاضر، در یک چاه حرارتی از دو هندسه‌ی میکرولوله و میکروکانال به صورت همزمان استفاده شده است و هدف، بهبود عملکرد میکروچاه حرارتی در خنک‌کاری پردازنده‌های دیجیتال است. همچنین از نانوسیال نقره-(آب- اتیلن گیلیکول 50%) استفاده شده است. به منظور حل معادلات موجود از نرم‌افزار انسیس- فلوئنت استفاده شده است. برای حل معادله مومنتوم از روش UPWIND مرتبه دوم و جهت کوپل میدان سرعت و فشار، روش سیمپل با شبکه فشار جابجا شده به کار رفته است. نتایج بدست آمده بیان می‌کند که با افزایش رینولدز جریان به دلیل بالا بودن دبی، دمای جریان سیال در طول میکروچاه حرارتی تغییر کمتری دارد. همچنین با افزایش غلظت نانوذرات و بهبود عمکرد انتقال حرارت، دمای سطح پردازنده کاهش قابل توجهی می‌یابد. به طوریکه در رینولدز 700 و کسر حجمی 5/0% میانگین دمای خروجی از سیستم برابر1/316 درجه کلوین است و در کسر حجمی 1%، برابر 03/319 درجه کلوین است. همچنین افزودن میکرولوله موجب افزایش قابل توجهی در ضریب حرارتی کلی سیستم می‌شود به طور مثال ضریب انتقال حرارت برای جریان سیال پایه در رینولدز 300، برای سیستم دارای میکرولوله تقریبا 4/58% بیشتر از حالت بدون میکرو لوله است. و برای رینولدزهای 700 و 1500 این افزایش به ترتیب برابر 3/63% و 9/50% است. این امر بیانگر آن است که وجود میکرولوله باعث ارتقای عملکرد چاه حرارتی و بهبود دسترسی انتقال حرارت در قسمت‌های مختلف تجهیز به جریان سیال خنک‌کننده و کاهش مقاومت حرارتی نقاط دور دست پردازنده شده است و در نهایت، میزان گرمای بیشتری از سطح پردازنده جذب می‌شود.

کلیدواژه‌ها

میکروکانال چاه حرارتی؛ میکرولوله چاه حرارتی؛ مدلسازی عددی؛ نانوسیال

مراجع

1. Sohel, M. R., Saidur, R., Sabri M. F., Kamalisarvestani, M., Elias, M. M., Ijam, A., "Investigating the Heat Transfer Performance and Thermophysical Properties of Nanofluids in a Circular Micro-Channel", International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 42, Pp. 75-81, (2013).
2. Kim, S. M., Mudawar, I., "Review of Databases and Predictive Methods for Heat Transfer in Condensing and Boiling Mini/Micro-Channel Flows", International Journal of Heat and Mass Transfer., Vol. 77, Pp. 627-652, (2014).
3. Dehghan, M., Mahmoudi, Y., Valipour, M. S, Saedodin, S.,"Combined Conduction–Convection–Radiation Heat Transfer of Slip Flow inside a Micro-Channel Filled with a Porous Material", Transport in Porous Media, Vol. 108, Pp. 413-436, (2015).
4. Keepaiboon, C., Wongwises, S., "Two-Phase Flow Patterns and Heat Transfer Characteristics of R134a Refrigerant during Flow Boiling in a Single Rectangular Micro-Channel", Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 66, Pp. 36- 45, (2015).
5. Gamrat, G., Favre-Marinet, M., Asendrych, D., "Conduction and Entrance Effects on Laminar Liquid Flow and Heat Transfer in Rectangular Microchannels", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48, No. 14, Pp. 2943-2954, (2005).
6. Bar-Cohen, A., "Gen-3 Thermal Management Technology: Role of Microchannels and Nanostructures in an Embedded Cooling Paradigm", Journal of Nanotechnology in Engineering and Medicine, Vol. 4, No. 2: 020907 (3 pages), (2013).
7. Colgan, E. G., Furman, B., Gaynes, M., Graham, W.S., LaBianca, N.C., Magerlein, J.H., Polastre, R.J., Rothwell, M.B., Bezama, R.J., Choudhary, R., Marston, K.C., "A Practical Implementation of Silicon Microchannel Coolers for High Power Chips", IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies., Vol. 30, No. 2, Pp. 218-225, (2007).
8. Lee, J., Mudawar, I., "Low-Temperature Two-Phase Microchannel Cooling for High-Heat-Flux Thermal Management of Defense Electronics", IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies. 32, No. 2, Pp. 453-465, (2009).
9. Solovitz, S.A., Stevanovic, L.D., Beaupre, R.A., "Micro-Channel Thermal Management of High Power Devices", In Twenty-First Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition. APEC'06, Mar 19 (2006).
10. Tuckerman, D.B., Pease, R.F., "High-Performance Heat Sinking for VLSI", IEEE Electron Device Letters. Vol. 2, No. 5, Pp. 126-129., (1981).
11. Azizi, Z., Alamdari, A., Malayeri, M.R., "Convective Heat Transfer of Cu–Water Nanofluid in a Cylindrical Microchannel Heat Sink", Energy Conversion and Management,Vol. 101, Pp. 515-524, (2015).
12. Ho, C.J., Wei, L.C., Li, Z.W., "An Experimental Investigation of Forced Convective Cooling Performance of a Microchannel Heat Sink with Al2O3/Water Nanofluid", Applied Thermal Engineering. 30, No. 2-3, Pp. 96-103, (2010).
13. Chen, C.H., Ding, C.Y., "Study on the Thermal Behavior and Cooling Performance of a Nanofluid-Cooled Microchannel Heat Sink", International Journal of Thermal Sciences. Vol. 50, No. 3, Pp. 378-384., (2011).
14. Lelea, D., "The Performance Evaluation of Al2O3/Water Nanofluid Flow and Heat Transfer in Microchannel Heat Sink", International Journal of Heat and Mass Transfer, 54, No. 17-18, Pp. 3891-3899, (2011).
15. Pourmehran, O., Rahimi-Gorji, M., Hatami, M., Sahebi, S.A., Domairry, G., "Numerical Optimization of Microchannel Heat Sink (MCHS) Performance Cooled by KKL Based Nanofluids in Saturated Porous Medium", Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers, Vol. 55, Pp. 49-68, (2015).
16. Chein, R., Huang, G., "Analysis of Microchannel Heat Sink Performance Using Nanofluids", Applied Thermal Engineering. 25, No.17-18, Pp. 3104-3114, (2005).
17. Li, J., Kleinstreuer, C., "Thermal Performance of Nanofluid Flow in Microchannels", International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol. 29, No. 4, Pp. 1221-1232, (2008).
18. Ghasemi, S.E., Ranjbar, A.A., Hosseini, M.J., "Thermal and Hydrodynamic Characteristics of Water-Based Suspensions of Al₂O₃ Nanoparticles in a Novel Minichannel Heat Sink", Journal of Molecular Liquids, 230, Pp. 550-556., (2017).
19. Tafarroj, M.M., Mahian, O., Kasaeian, A., Sakamatapan, K., Dalkilic, A.S., Wongwises, S., "Artificial Neural Network Modeling of Nanofluid Flow in a Microchannel Heat Sink Using Experimental Data", International Communications in Heat and Mass Transfer. 86, Pp. 25-31., (2017).
20. Rashidi, M.M., Ganji, D.D., Shahmohamadi, H., "Variational Iteration Method for Two-Dimensional Steady Slip Flow in Micro-Channels", Archive of Applied Mechanics, 81, No. 11, Pp. 1597-1605, (2011).
21. Hasan, M.I., Rageb, A.A., Yaghoubi, M., Homayoni, H., "Influence of Channel Geometry on the Performance of a Counter Flow Microchannel Heat Exchanger", International Journal of Thermal Sciences, Vol. 48, No. 8, Pp. 1607-1618, (2009).
22. Sarafraz, M.M., Hormozi, F.J., "Intensification of Forced Convection Heat Transfer Using Biological Nanofluid in a Double-Pipe Heat Exchanger", Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 66, Pp. 279-289, (2015).
23. Al-Rashed, A.A., Shahsavar, A., Rasooli, O., Moghimi, M.A., Karimipour, A., Tran, M.D., "Numerical Assessment into the Hydrothermal and Entropy Generation Characteristics of Biological Water-Silver Nano-Fluid in a Wavy Walled Microchannel Heat Sink", International Communications in Heat and Mass Transfer, Vol. 104, Pp. 118-126, (2019).