Повышение производительности и термодинамическая оценка микроканального радиатора с различными типами ребер и конусов

Nov 12, 2023

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 10802 (2022) Цитировать эту статью

1317 Доступов

2 цитаты

Подробности о метриках

Настоящее исследование направлено на изучение характеристик микроканального радиатора посредством численного моделирования, основанного на первом и втором законах термодинамики. Характеристики теплопередачи и потока прямоугольных микроканальных радиаторов были улучшены за счет добавления шести различных типов усилителей поверхности. В поперечном сечении имеются ребра и конусы прямоугольной, треугольной и шестиугольной формы. Конусы были созданы из одинаковых поперечных сечений ребер путем их наклона под углом 45°, перпендикулярно основанию, что, как ожидается, значительно уменьшит перепад давления. Характеристики ребер и конусов оценивались с использованием различных параметров, таких как коэффициент трения, напряжение сдвига стенки, скорость генерации энтропии, число генерации энтропии увеличения, термическое сопротивление и эффективность передачи тепловой энергии. Однако результаты настоящего исследования показали, что новый эффект конуса под углом 45 ° снижает потери на трение (максимальное снижение падения давления составляет 85%); был продемонстрирован компромисс в отношении термического поведения (максимальное снижение числа Нуссельта составляет 25%). Аналогичным образом, применение конуса привело к значительному снижению напряжения сдвига стенки и коэффициента трения, что может привести к снижению требований к мощности перекачки. Более того, треугольные ребра обладают большей способностью передавать тепловую энергию, чем прямоугольные и шестиугольные ребра. Кроме того, в настоящем исследовании было исследовано, что тенденция скорости генерации полной энтропии для треугольных ребер уменьшается до Re = 400, а затем увеличивается и далее, что означает, что тепловые потери более значительны, чем потери на трение при меньшем числе Рейнольдса. Однако при более высоких числах Рейнольдса потери на трение преобладают над тепловыми потерями, когда происходит генерация вихрей, особенно в треугольных ребрах.

Постоянно растущие технологические достижения в области интегральных схем привели к увеличению теплового потока в результате накопления тяжелых схем минимального размера1,2,3,4,5. Следовательно, это привело к появлению спроса на эффективные методы охлаждения, отличные от традиционных способов. Быстрое развитие микроэлектромеханических систем побудило исследователей разрабатывать новые методы микроохлаждения. Ранее были разработаны многочисленные методы, включая микротепловые трубки, микроэлектрогидродинамические и микроканальные радиаторы6. Среди этих технологий микроканальный радиатор (MCHS) оказался наиболее эффективным. Исследование, впервые проведенное Такерманом и Пизом7 в 1981 году, показало передачу тепла в кремниевом микроканальном радиаторе. В основном исследование было сосредоточено на способности микроканального радиатора отводить тепло со скоростью 790 Вт/см2. Они показали, что большая площадь поверхности, обеспечиваемая радиатором, значительно увеличивает тепловой КПД. Микроканальные радиаторы представляют собой наиболее передовые технологии теплообмена, включающие однофазный поток жидкости. Применениями микроканала для однофазного потока жидкости являются охлаждение электронных устройств, аэрокосмическая техника и технологическое оборудование с использованием лазерных технологий8.

С тех пор, как возросла потребность в микроканальном радиаторе, были проведены многочисленные экспериментальные и численные исследования для изучения закономерностей теплового потока в гладком прямоугольном микроканале. Когда дело доходит до улучшения тепловых характеристик MCHS, существует несколько ограничений, которые налагают такие ограничения, как перепад давления через микроканал, поскольку это увеличивает потребление мощности перекачки и риски утечек. Кроме того, небольшой размер канала делает течение жесткой в ​​линейной области, что приводит к ухудшению производительности по сравнению с нерегулярным потоком. Из-за постоянного увеличения нагрузки на тепло и необходимости тщательного измерения температуры электронных деталей линейный базовый канал трудно удовлетворить эту потребность. Следовательно, фокус исследований был переключен на пассивные методы и приемы, которые можно использовать для улучшения характеристик теплопередачи в микроканалах. Например, Стейнке и Кандликар9 предложили несколько методов, которые могут пригодиться для усиления теплового потока в микроканалах. Одним из методов, заслуживающих упоминания, является использование функций перемешивания для улучшения потока смешивания, разрушения граничной поверхности для увеличения местного коэффициента теплопередачи с использованием фрагментированной конструкции.