بررسی عددی تأثیر اندازه ی نانوذرات مختلف بر روی عملکرد حرارتی نانوسیال در میکروکانال گرماگیر

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی ارومیه، ارومیه، ایران

3 کارشناس ارشد مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک و انرژی، دانشگاه شهید بهشتی، تهران، ایران

چکیده

توسعه‌ی روش‌های مدیریت حرارتی برای دستگاه‌های الکترونیکی پیشرفته به ویژه در مقیاس‌های میکرو و نانو از مسائل مهمی می‌باشد که به طور مستقیم بر کارآیی سیستم تأثیرگذار است. یکی از تکنولوژی‌های کارآمد در این زمینه، استفاده از میکروکانال گرماگیر جهت افزایش عملکرد حرارتی می‌باشد که امروزه تحقیقات فراوانی بر روی آن صورت می‌گیرد. هدف این پژوهش، بررسی عددی اندازه‌ی نانوذرات بر عملکرد حرارتی یک میکروکانال گرماگیر ذوزنقه‌ای شکل می‌باشد. در مطالعه‌ی حاضر، کاربرد نانوسیال‌های آب – آلومینا (Al2O3) و آب – CuO با استفاده از دیدگاه دوفازی اولرین – اولرین مدل‌سازی شده ‌است و حل معادلات پیوستگی، مومنتوم و انرژی به روش حجم محدود با معیار همگرایی 〖10〗^(-6) توسط نرم‌افزار فلوئنت صورت گرفته است. همچنین از آنجایی که در بیشتر مطالعات انجام شده، نانوسیال به عنوان یک سیال همگن (تک‌فاز) شبیه‌سازی شده است مقایسه‌ای میان مدل‌سازی دوفازی حاضر با مدل‌سازی همگن صورت گرفته است و مشخص شد که نتایج مدل دوفازی 8/13 % بهتر از نتایج تک فازی ادبیات فن است. اگرچه افزودن هر دو نانوذره باعث افزایش انتقال حرارت در میکروکانال می‌شود اما نتایج نشان می‌دهند با افزایش قطر نانوذرات، نرخ انتقال حرارت کاهش می‌یاب، به طوری که (Al2O3) دارای کاهش 63/6 % و CuO دارای کاهش 022/5 % است که در این بین، نانوذرات آلومینا دارای ضریب انتقال حرارت کوچک‌تری نسبت به نانوذرات CuO می-باشند. از این‌رو، نانوسیال آب – CuO برای هندسه‌ی ذوزنقه‌ای شکل، مناسب‌تر بوده و با بهینه‌سازی اندازه‌ی ذرات می‌توان بازده حرارتی سیستم را به حداکثر رساند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Tuckerman DB, Pease RFW (1981) High-performance heat sinking for VLSI. IEEE Electron Devices Lett. EDL 2: 126-129.

[2] Toh KC, Chen XY, Chai JC (2002) Numerical computation of fluid flow and heat transfer in microchannels. Int J Heat Mass Tran 45: 5133-5141.

[3] Peng XF, Peterson GP (1996) Convective heat transfer and flow friction for water flow in microchannels structures. Int J Heat Mass Tran 39: 2599-2608.

[4] Peng XF, Peterson GP (1995) The effect of thermofluid and geometrical parameters on convection of liquids through rectangular microchannels. Int J Heat Mass Tran 38: 755-758.

[5] Tiselj I, Hetsroni G, Mavco B, Mosyak A, Pogrebnyak E, Segal Z (2004) Effect of axial conduction on the heat transfer in microchannels. Int J Heat Mass Tran 47: 2551-2565.

[6] Murshed SMS, Leong KC, Yang C (2008) Thermophysical and electrokinetic properties of nanofluids – a critical review. Appl Therm Eng 28: 2109-2125.

[7] Wen D, Lin G, Vafaei S, Zhang K (2009) Review of nanofluids for heat transfer applications. Particuology 7: 141-150.

[8] Li Y, Zhou J, Tung S, Schneider E, Xi S (2009) A review on development of nanofluid preparation and characterization. Powder Technol 196: 89–101.

[9] Murshed SMS, Leong KC, Yang C (2009) A combined model for the effective thermal conductivity of nanofluids. Appl Therm Eng 29: 2477-2483.

[10] Choi SUS (1995) Enhancing thermal conductivity of fluids with nanoparticles. ASME Fed 231: 99-103.

[11] Eastman J, Choi U, Li S, Thompson L, Lee S (1996) Enhanced thermal conductivity through the development of nanofluids. MRS Proc Cambridge University Press.

[12] Yu W, France D, Chi S, Routbort J (2007) Review and assessment of nanofluid technology for transportation and other applacations. Argonne National Laboratory (ANL).

[13] Li CH, Peterson GP (2007) The effect of particle size on the effective thermal conductivity of Al2O3-water nanofluids. J Appl Phys 101: 044312-044312.

[14] Abbasi H, Aghanajafi C (2006) Evaluation of heat transfer augmentation in a nanofluid-cooled microchannel heat sink. J Fusion Energy 25: 187-196.

[15] Anoop KB, Sundararajan T, Das SK (2009) Effect of particle size on the convective heat transfer in nanofluid in the developing region. Int J Heat Mass Tran 52: 2189-2195.

[16] Teng TP, Hung YH, Teng TC, Moa HE, Hsu HG (2010) The effect of alumina/water nanofluid particle size on thermal conductivity. Appl Therm Eng 30: 2213-2218.

[17] Moraveji MK, Darabi M, Haddad SMH, Davarnejad R (2011) Modeling of convective heat transfer of a nanofluid in the developing region of tube flow with computational fluid dynamics. Int Commun Heat Mass 38: 1291-1295.

[18] Eastman J, Choi U, Li S, Soyez G, Thampson L, DiMelfi R (1999) Novel thermal properties of nanostructured materials. JMNM 2: 629-634.

[19] Kalteh M, Abbasi A, Saffar-Avval M, Harting J (2011) Eulerian-Eulerian two-phase numerical simulation of nanofluid laminar forced convection in a microchannel. Int J Heat Fluid Fl 32: 107-116.

[20] Kalteh M, Abbasi A, Saffar-Avval M, Frijns A, Darhuber A, Harting J (2012) Exprimental and numerical investigation of nanofluid forced convection inside a wide microchannel heat sink. Appl Therm Eng 36: 260-268.

[21] Tokit EM, Mohammed HA, Yusoff MZ (2012) Thermal performance of optimized interrupted microchannel heat sink (IMCHS) using nanofluids. Int Commun Heat Mass 39: 1595-1604.

[22] Seyf HR, Feizbakhshi M (2012) Computational analysis of nanofluid effects on convective heat transfer enhancement of micro-pin-fin heat sinks. Int J Therm Sci 58: 168-179.

[23] Tahir S, Mital M (2012) Numerical investigation of laminar nanofluid developing flow and heat transfer in a circular channel. Appl Therm Eng 39: 8-14.

[24] Arani AAA, Amani J (2013) Experimental investigation of diameter effect on heat transfer performance and pressure drop of TiO2-water nanofluid. Exp Therm Fluid Sci 44: 520-533.

[25] Lee S, Choi SUS, Li S, Eastman JA (1999) Measuring thermal conductivity of fluids containing oxide nanoparticles. J Heat Trans-T ASME 121: 280-289.

[26] Chein R, Huang G (2005) Analysis of microchannel heat sink performance using nanofluids. Appl Therm Eng 25: 3104-3114.

[27] Seyf HR, Nikaaein B (2012) Analysis of Brownian motion and particle size effects on the thermal behavior and cooling performance of microchannel heat sinks. Int J Therm Sci 58: 36-44.

[28] Chein R, Chuang J (2007) Experimental microchannel heat sink performance studies using nanofluids. Int J Therm Sci 46: 57-66.

[29] Tsai TH, Chein R (2007) Performance analysis of nanofluid-cooled microchannel heat sinks. Int J Heat Fluid Fl 28: 1013-1026.

[30] Maiga SEB, Palm SJ, Nguyen CT, Roy G, Galanis N (2005) Heat transfer enhancement by using nanofluids in forced convection flows. Int J Heat Fluid Fl 26: 530-546.

[31] Mohammed HA, Gunnasegaran P, Shuaib NH (2010) Heat transfer in rectangular microchannels heat sink using nanofluids. Int Commun Heat Mass 37: 1496-1503.

[32] Incropera FP, DeWitt DP, Bergman TL, Lavine AS (2007) Fundamentals of heat and Mass transfer. 6th edn. Wiley, Hoboken.

[33] Corcione M (2011) Empirical correlating equations for predicting the effective thermal conductivity and dynamic viscosity of nanofluids. Energy Convers Manage 52: 789-793.

[34] Mohammed HA, Gunnasegaran P, Shuaib NH (2011) Influence of various base nanofluids and substrate materials on heat transfer in trapezoidal microchannel heat sinks. Int Commun Heat Mass 38: 194-201.

[35] FLUENT 6.3 User's Guide, Fluent Inc., 2006-09-20.

[36] Syamlal M, Gidaspow Dimitri (1985) Hydrodynamics of fluidization: Prediction of wall to bed heat transfer coefficients. AIChE J 31: 127-135.

[37] Schiller L, Naumann Z (1935) Verein Deutscher Ingenieure (VDI) 77: 318.

[38] Patankar SV (1980) Numerical heat transfer and fluid flow. Hemisphere Publishing Corporation, Washington D.C., ISBN: 0-07-048740-5

[39] Versteeg HK, Malalasekera W (1995) An introduction to Computational Fluid Dynamics the Finite Volume Method. Second Ed. Longman Scientific & Technical, England.

[40] VanDoormal JP, Raithby GD (1984) Enhancements of the SIMPLE method for predicting incompressible fluid flows. Numer Heat Transfer 7: 147-163.

[41] Hetsroni G, Mosyak A, Pogrebnyak E, Yarin LP (2005) Heat transfer in microchannels: comparison of experiments with theory and numerical results. Int J Heat Mass Tran 48: 5580-5601.