شبیه‌سازی عددی انتقال حرارت جابه‌جایی اجباری فلزات مایع در یک چاه گرمایی میکروکانال تحت میدان مغناطیسی

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

2 کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه کاشان، کاشان، ایران

10.22044/jsfm.2024.13454.3773

چکیده

افزایش نرخ انتقال حرارت در صنایع مختلف به جهت بهبود کارایی تجهیزات، جلوگیری از آسیب به قطعات و کاهش هزینه، از بحث‌های ضروری در صنعت است. از جمله راه‌حل‌های افزایش انتقال حرارت، استفاده از چاه‌های حرارتی فعال می‌باشد. در این پژوهش از یک چاه حرارتی فعال با سیال فلز مایع گالینستن استفاده شده و گسسته‌سازی معادلات ناویراستوکس به روش حجم محدود مرتبه دوم بالادست انجام شده است. اثر اعمال میدان مغناطیسی در جهت Y (عمود بر محور جریان) به چاه حرارتی، سبب به‌وجودآمدن نیرویی در خلاف جهت حرکت جریان به نام نیروی لورنتز شده که توزیع سرعت M شکل را باعث شده است. باتوجه‌به شرط مرزی شار ثابت، افزایش سرعت جریان در مجاورت دیواره‌ها سبب کاهش دمای سطوح و بهبود انتقال حرارت شده است. نتایج نشان دادند اثر اعمال میدان مغناطیسی خارجی یکنواخت در دو راستای Y و X با عدد هارتمن 517، عدد ناسلت را به ترتیب 38 و 13 درصد نسبت به عدد هارتمن صفر بهبود بخشیده است. اثر اعمال میدان مغناطیسی در جهت Y به چاه حرارتی با عدد هارتمن 517، 38 درصد، عدد هارتمن 258، 22 درصد و عدد هارتمن 129، 13 درصد انتقال حرارت را بهبود داده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


  • Tuckerman, D. B., & Pease, R. F. W. (1981). High-performance heat sinking for VLSI. IEEE Electron dev. lett., 2(5), 126-129.‏
  • Qu, W., & Mudawar, I. (2002). Experimental and numerical study of pressure drop and heat transfer in a single-phase micro-channel heat sink. Int. J. Heat Mass Transf., 45(12), 2549-2565.‏ J. Heat Mass Transf.
  • Gunnasegaran, P., Mohammed, H. A., Shuaib, N. H., & Saidur, R. (2010). The effect of geometrical parameters on heat transfer characteristics of microchannels heat sink with different shapes. Int. Commun. Heat Mass Transf. , 37(8), 1078-1086.‏
  • Guo, Y., Zhu, C. Y., Gong, L., & Zhang, Z. B. (2023). Numerical simulation of flow boiling heat transfer in microchannel with surface roughness. Int. J. Heat Mass Transf., 204, 123830.‏
  • Sepehrnia, M., & Rahmati, A. (2018). Numerical investigating the gas slip flow in the microchannel heat sink using different materials.  Nano Micro Scale Sci., 6(Special Issue), 44-50.‏
  • Kumar, R., Singh, G., & MikielewicZ, D. (2018). A new approach for the mitigating of flow maldistribution in parallel microchannel heat sink. J. Heat Transf. , 140(7), 072401.‏
  • Li, X. Y., Wang, S. L., Wang, X. D., & Wang, T. H. (2019). Selected porous-ribs design for performance improvement in double-layered microchannel heat sinks. Int. J. Therm. Sci., 137, 616-626.‏
  • Shomali, M., & Rahmati, A. (2020). Numerical analysis of gas flows in a microchannel using the Cascaded Lattice BoltZmann Method with varying Bosanquet parameter. J. Heat Mass Transf. Res., 7(1), 25-38.‏
  • Wang, S. L., Chen, L. Y., Zhang, B. X., Yang, Y. R., & Wang, X. D. (2020). A new design of double-layered microchannel heat sinks with wavy microchannels and porous-ribs. J. Therm. Anal. Calorim., 141, 547-558.
  • Hamidi, E., Ganesan, P., Muniandy, S. V., & Hassan, M. A. (2022). Lattice BoltZmann Method simulation of flow and forced convective heat transfer on 3D micro X-ray tomography of metal foam heat sink. Int. J. Therm. Sci., 172, 107240.‏
  • KeshavarZ, M., Habibi, S., & Amini, Y. (2023). Heat transfer enhancement in a microchannel using active vibrating pieZoelectric vorteX generator. J. Solid Fluid Mech., 12(6), 191-204.‏
  • Chein, R., & Huang, G. (2005). Analysis of microchannel heat sink performance using nanofluids.  Therm. Eng., 25(17-18), 3104-3114.‏
  • DarZi, A. R., Farhadi, M., Sedighi, K., Aallahyari, S., & Delavar, M. A. (2013). Turbulent heat transfer of Al2O3–water nanofluid inside helically corrugated tubes: numerical study. Int. Commun. Heat Mass Transf., 41, 68-75.‏
  • Sohel, M. R., KhaleduZZaman, S. S., Saidur, R., Hepbasli, A., Sabri, M. F. M., & Mahbubul, I. M. (2014). An Experimental investigation of heat transfer enhancement of a minichannel heat sink using Al2O3–H2O nanofluid. Int. J. Heat Mass Transf., 74, 164-172.‏
  • Ho, C. J., Wei, L. C., & Li, Z. W. (2010). An Experimental investigation of forced convective cooling performance of a microchannel heat sink with Al2O3/water nanofluid. Appl. Therm. Eng., 30(2-3), 96-103.‏
  • Ghasemi, S. E., Ranjbar, A. A., & Hosseini, M. J. (2017). Thermal and hydrodynamic characteristics of water-based suspensions of Al2O3 nanoparticles in a novel minichannel heat sink.  Mol. Liq., 230, 550-556.‏
  • Teimouri, A., Nejati, V., Zahmatkesh, I., & Saleh, S. R. (2023). Numerical investigation of two-phase nanofluid flow in square cavity with inclined wall under different magnetic field. J. Solid Fluid Mech., 13(1), 125-136.‏
  • Kumar, R., Tiwary, B., & Singh, P. K. (2022). Thermofluidic analysis of Al2O3-water nanofluid cooled branched wavy heat sink.  Therm. Eng., 201, 117787.‏
  • Miner, A., & Ghoshal, U. (2004). Cooling of high-power-density microdevices using liquid metal coolants.  Phys. Lett., 85(3), 506-508.‏
  • Hodes, M., Zhang, R., Lam, L. S., WilcoXon, R., & Lower, N. (2013). On the potential of galinstan-based minichannel and minigap cooling. IEEE Trans. Compon. Packag. Manuf. Technol., 4(1), 46-56.‏
  • Xie, G., Chen, Z., Sunden, B., & Zhang, W. (2013). Numerical predictions of the flow and thermal performance of water-cooled single-layer and double-layer wavy microchannel heat sinks.  Heat Transf., Part A: Applications, 63(3), 201-225.‏
  • Zhang, R., Hodes, M., Lower, N., & WilcoXon, R. (2015). Water-Based Microchannel and Galinstan-Based Minichannel Cooling Beyond 1 kW/cm2 Heat FluX. , IEEE Trans. Compon., Packag. Manuf. Technol., 5(6), 762-770.‏
  • Wu, T., Wang, L., Tang, Y., Yin, C., & Li, X. (2022). Flow and heat transfer performances of liquid metal based microchannel heat sinks under high temperature conditions. Micromachines, 13(1), 95.‏
  • Wang, Z. H., & Zhou, Z. K. (2019). External natural convection heat transfer of liquid metal under the influence of the magnetic field. Int. J. Heat Mass Transf., 134, 175-184.‏
  • Shi, X., Li, S., Mu, Y., & Yin, B. (2019). Geometry parameters optimiZation for a microchannel heat sink with secondary flow channel. Int. Commun. Heat Mass Transf., 104, 89-100.‏
  • Wang, T. H., Wu, H. C., Meng, J. H., & Yan, W. M. (2020). Optimization of a double-layered microchannel heat sink with semi-porous-ribs by multi-objective genetic algorithm. Int. J. Heat Mass Transf., 149, 119217.‏
  • Hajmohammadi, M. R., GholamreZaie, S., Ahmadpour, A., & Mansoori, Z. (2020). Effects of applying uniform and non-uniform eXternal magnetic fields on the optimal design of microchannel heat sinks., J. Mech. Sci., 186, 105886.‏
  • Abadeh, A., Sardarabadi, M., Abedi, M., PourrameZan, M., Passandideh-Fard, M., & Maghrebi, M. J. (2020). EXperimental characteriZation of magnetic field effects on heat transfer coefficient and pressure drop for a ferrofluid flow in a circular tube.  Mol. Liq., 299, 112206.‏
  • Li, P., Guo, D., & Huang, X. (2020). Heat transfer enhancement in microchannel heat sinks with dual split-cylinder and its intelligent algorithm based fast optimiZation.  Therm. Eng., 171, 115060.‏‏

 

Chen, Z., Qian, P., Huang, Z., Zhang, W., & Liu, M. (2023). Study on flow and heat transfer of liquid metal in the microchannel heat sink. Int. J. Therm. Sci., 183, 107840.‏

  • Koneti, L., & Venkatasubbaiah, K. (2023). A comparative heat transfer study of water and liquid gallium in a square enclosure under natural convection. Int. J. Fluid Mech. Res., 50(3).‏
  • SheikhZadeh, G., Alanchari, A., Mehradasl, A., & Pirmohammadi, M. (2023). Numerical study of turbulent natural convection in the presence of a constant magnetic field in a square enclosure. Energy Eng. Manag. 1(2), 49-55.‏
  • Singh, R. J., & Gohil, T. B. (2023, May). Numerical investigation on the liquid metal flow and heat transfer in the multi-step enclosure in the eXistence of magnetic field. In AIP Conference Proceedings(Vol. 2584, No. 1). AIP Publishing.
  • Ullah, Z., Ahmad, H., Khan, A. A., Aldhabani, M. S., & Alsulami, S. H. (2023). Thermal conductivity effects on miXed convection flow of electrically conducting fluid along vertical magnetiZed plate embedded in porous medium with convective boundary condition.  Today Commun., 35, 105892.
  • Wang, Z. H., & Lei, T. Y. (2020). Liquid metal MHD effect and heat transfer research in a rectangular duct with micro-channels under a magnetic field. Int. J. Therm. Sci., 155, 106411.‏
  • Sarowar, M. T. (2021) Numerical analysis of a liquid metal cooled mini channel heat sink with five different ceramic substrates. Int., 47(1), 214-225
  • Hunt, J. C. R. (1965). Magnetohydrodynamic flow in rectangular ducts.  Fluid Mech., 21(4), 577-590.‏
  • Hunt, J. C. R., & Stewartson, K. (1965). Magnetohydrodynamic flow in rectangular ducts. II.  Fluid Mech., 23(3), 563-581.‏