银/水纳米流体对非对称波状微通道散热器的热管理

银/水纳米流体对非对称波状微通道散热器的热管理

转自Case Studies in Thermal Engineering热力工程案例研究

论文信息：

Thermal management of an asymmetrical wavy microchannel heat sink via Ag/water nanofluid

Hoseyn A. Amiri , Farhad Afsharpanah , Sima Moshafi , Sasan Asiaei

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.csite.2023.103857

研究背景

人们对电子系统提高性能和处理速度的需求不断增长，导致其产生的热量呈指数级增加，特别是那些包含表面积减小的微结构的电子系统。应对这些复杂的热管理挑战迫切需要设计和建模紧凑高效的冷却系统。在这项研究中，提出了一种独特的微通道散热器设计，其具有正弦波和绝对正弦波壁，有/无纳米流体。通过开发雷诺数为 5、100 和 500 的二维有限元模型，对传热增强和流体流动特性进行数值研究。波状截面的周期性和银纳米粒子的不同体积分数范围为 0 至 4%在水中进一步考虑。使用 Bejan 数分析熵的生成。研究结果表明，虽然绝对正弦通道中的熵产生增加，但对于上升的雷诺数，其传热性能比直微通道分别提高了 10.3%、15.8% 和 16.6%。当使用不必要数量的正弦周期时，通道的传热和热效率会降低。沿通道仅采用一个绝对正弦波长，与直微通道相比，热效率提高了 3.35%。

研究内容

图1描绘了非对称波形微通道的尺寸和边界条件。微通道的总长度为L= 2.5 mm，高度为H= 25 μm。波形壁由波长为λ =（0.4L）/2πn的n周期正弦函数y = Bsin（（x−0.3L）/λ）绘制，其绝对形式也被用来研究其独特的效果。壁在通道底部受到q”= 25 kW/㎡的恒定表面热通量，通道对称地嵌入两个隔热壁（0.3L）之间，这防止热通量通过它们（− nw · q= 0），其中nw是边界的单位法向量）。在整个周期数效应的研究中，正弦壁进入流体域的最大振幅固定在B= 8 μm。

图1.波形微通道的示意图和尺寸沿着与边界条件。

生成网格的准确性和独立性已通过表1中所示的五种不同的内置网格生成方案进行了研究，针对 n = 12、Re = 500 和 φ = 4% 的数值复杂条件下的两种不同的墙功能。Extra Fine 网格质量的结果被接受，因为通过对 Δp、f、power 和 Nuave 的平方误差求和获得的平方误差和 (SSE) 并不显着。此外，无论网格构建持续时间如何，一次模拟的计算时间都不到下一个改进网格的一半。这也令人满意，因为案例总数为 2 × 13 × 3 × 3 = 234 加上用于性能改进调查的普通（直）通道的 3 × 3 案例。对于波长间隔内提到的两个壁函数，由所选图案生成的最终网格如图2所示。网格划分策略使用两个边界层来捕获壁边界附近的高温和速度梯度。

表1 .正弦sin及其绝对值abs在n=12、Re=500时和φ=4%时的网格无关性研究结果。

图2 .通过12周期正弦壁的超精细质量生成的网格的最终图案及其在波长中的绝对函数。

图3显示了每个壁面不同周期数的速度大小等值线和流体流线。可以观察到，即使在层流中，在一定的 Re 后，由于通道壁的几何形状，也会出现涡流和停滞点。通道的独特形状使流体在函数极值后面循环，导致流体动量损失。尽管φ的变化不会明显影响流体流线，但Re对这些区域具有显着的控制作用。因此，在低雷诺状态下，取决于n变化的流线差异可以忽略不计。虽然添加的每个顶点可能会导致传热增强，但由于流动入射角和流体路径长度的增加，它也会引起压降。

图3.Re = 100 时正弦曲线（左列）及其绝对函数（右列）壁的不同周期数的速度等值线和涡流流线。

为了评估通道性能，在图4中比较了所研究通道的Nu+。此外，在所研究的Re值中提供了不同周期数下的热效率增强(η+=η−1)和φ。对于这两种情况，主要通过增加正弦周期的数量来减少换热，这意味着即使扩大了壁面以帮助换热，停滞区/循环区的影响在这一概念中也起到了负面作用。然而，NU的行为与NP的性质和φ直接相关。值得注意的是，尽管Nu随着φ的增加而显著增加，但Nu+趋势表明，在较低的φ值下，特别是在较低的Re时，当前的通道改进将有助于更多的换热强化。

图4 .Nu+(左栏)和η+(右栏)在不同操作点的sin和abs壁的不同时期所显示的平面微通道的百分比。

当Re=5时，局部Bejan数的分布如图5所示。该图显示，增加 φ 会导致NF粘度上升，因此摩擦不可逆性更高，同时热边界层厚度适度减小。这种变化发生在速度梯度较大且热力贡献较大区域的不可逆性下降（Be<0.5），即收缩时靠近壁。因此，在这两种情况下，传热耗散的贡献在通道中心线处更为主要。然而，由于流速梯度较低，sin情况的波谷包含更多的热熵生成分数(Be> 0.5)。相反，收缩的横截面产生更高的速度场，因此，与规则的正弦壁相比，绝对正弦壁的总熵产生将是巨大的。

图5 .对于上面标记的不同情况，Re = 5 时的局部 Bejan 数分布。

另一方面，正弦通道会产生更高的热熵（图 6）。熵产生是影响传热质量的重要因素。如图6所示，热熵产生在 Re = 5 时占主导地位，随后随着 Re 的增加而下降。可以看出，较高的 NP 浓度会降低 NT。与低雷诺情况相反，Re = 100 和 500 情况下，粘性耗散随 φ 成比例增加而增加。

图6 .热熵（左列）和总熵生成，包括粘性熵生成（右列）与不同 Re 数下的各种 φ 所示的壁周期数。

总结与展望

在这项工作中，研究了几种独特的壁面几何形状，以增强存在纳米颗粒的微冷却系统中的换热性能。槽壁采用不同周期数的正弦函数形成。几何形状分为正弦函数(第一种情况)和绝对形式(第二种情况)。第一种情况周期性地收缩和扩展通道横截面，而第二种情况的正弦函数的收缩次数是前者的两倍。用二维有限元程序计算了换热强化系数(Nu+)和通道效率系数(η+)。通过沿通道采用单一绝对正弦波长，η+比直微通道显著提高了3.35%。与直通道相比，Re数为5、100和500的换热系数分别提高了10.3%、15.8%和16.6%。一般来说，φ(φ≤2%）的较低值会出现增强，这表明使用NPs对MCHS来说并不是很有利可图。在任何给定的雷诺数(Re)和周期数下，具有绝对正弦壁面函数的通道的压降、ƒ和泵浦功率都较高，这是由于流动更频繁地进入功能峰所致。纳米银颗粒体积分数(φ)的增加对摩擦因数也有不利影响。换热随Re的增加而逐渐增加，且有显著差异，具有绝对正弦壁面函数的通道具有较好的Nu+。正弦函数中过多的周期减少了Nu+和η+。在低Re值5和100范围内，压降对热效率的影响占主导地位。因此，除Re=500外，在热效率的竞争中，具有正弦壁面函数的通道取代了具有绝对正弦壁面函数的通道。在所研究的Re值下，正弦壁面的热熵生成大于绝对正弦壁面的热熵生成，而后一种设计的摩擦熵生成显著高于前一种设计。这意味着几何形状可以被认为是一个关键的增强因素，需要进一步的研究和探索。

微信号｜微纳流控