مدلسازی عملکرد حرارتی سیال در تبخیرکننده با میکروساختارهای کروی و میکروستون مخروطی

نوع مقاله: مقاله مستقل

نویسندگان

1 کارشناس ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

2 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

3 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده

عملکرد حرارتی تجهیزات خنک کاری دوفاز غیرفعال مانند لوله های حرارتی و محفظه های بخار، به طور عمده وابسته به هندسه و خواص میکروساختار تبخیرکننده و فتیله است. ویژگی های مطلوب ساختار تبخیرکننده شامل فشار مویینگی بالا با وجود مقاومت کم در برابر جریان به همراه سطح گسترده برای افزایش تبخیر لایه نازک سیال است که انتخاب مقیاس و تخلخل ساختار بر اساس مصالحه بین ویژگی های موردنظر فوق است. در مطالعه حاضر، شکل سطح آزاد سیال ساکن در میکروستونهای مخروطی و میکروساختارهای کروی توسط الگوریتم گرادیان کاهشی با نرم افزار Surface Evolver مدل ‌شده است و فشار مویینگی بی بعد بر اساس انحنای سطح تعیین گردیده است. نفوذپذیری و ضریب انتقال حرارت با استفاده از نرم افزار فلوئنت به صورت تابعی از پارامتر هندسی بی بعد و زاویه تماس بین مایع و جامد، پیش بینی شده است. نتایج نشان داد میکروستون مخروطی با توجه به سطح تماس گرمایی زیاد با زیرلایه، کاهش سطح مقطع در ارتفاع و افزایش نفوذپذیری، افزایش فیلم نازک به دلیل کشش مایع بر روی سطح مایل، عملکرد مطلوبی در فرآیند تبخیر نسبت به میکروساختار کروی نشان داد. همچنین زاویه تماس بهینه و پارامتر هندسی بی بعد که بهترین عملکرد ساختار در انتقال حرارت را نشان دادند، ارائه گردیده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Reay D, McGlen R, Kew P (2014) Heat pipes: Theory, design and applications. 6nd edn. Elsevier Ltd.

[2] Faghri A (2012) Review and advances in heat pipe science and technology. J Heat Trans-T ASME 134(12): 123001.

[3] Ranjan R, Murthy JY, Garimella SV (2009) Analysis of the wicking and thin-film evaporation characteristics of microstructures. J Heat Trans-T ASME 131(10): 101001.

[4] Weibel JA, Garimella SV, North MT (2010) Characterization of evaporation and boiling from sintered powder wicks fed by capillary action. Int J Heat Mass Tran 53 (19-20): 4204-4215.

[5] Altman DH, Wasniewski JR, North MT, Kim SS, Fisher TS (2011) Development of micro/nano engineered wick-based passive heat spreaders for thermal management of high power electronic devices. Proceedings of the ASME InterPACK Portland. 

[6] Ranjan R, Murthy JY, Garimella SV (2011) A microscale model for thin-film evaporation in capillary wick structures. Int J Heat Mass Tran 54 (1-3): 169-179.

[7] Dhavaleswarapu HK, Migliaccio CP, Garimella SV, Murthy JY (2009) Experimental investigation of evaporation from low-contact-angle sessile droplets. Langmuir: 26(2): 880-888.

[8] Nam Y, Sharratt S, Byon C, Kim SJ, Ju YS (2010) Fabrication and characterization of the capillary performance of superhydrophilic Cu micropost arrays. J Microelectromech S 19(3): 581-588.

[9] Cui HH, Lim KM (2009) Pillar array microtraps with negative dielectrophoresis. Langmuir 25(6): 3336.

[10] Nagrath S, Sequist LV, Maheswaran S, Bell DW, Irimia D, Ulkus L, Ryan P (2007) Isolation of rare circulating tumour cells in cancer patients by microchip technology. Nature 450(7173): 1235-1239.

[11] Hilden JL, Trumble, KP (2003) Numerical analysis of capillarity in packed spheres: Planar hexagonal-packed spheres. J Colloid Interf Sci 267(2): 463-474.

[12] Saha AA, Mitra SK, Tweedie M, Roy S, McLaughlin J (2009) Experimental and numerical investigation of capillary flow in SU8 and PDMS microchannels with integrated pillars. Microfluid Nanofluid 7: 451-465.

[13] Xiao R, Enright R, Wang EN (2010) Prediction and optimization of liquid propagation in micropillar arrays. Langmuir 26(19): 15070-15075.

[14]  صفاری ح، میرزاقیطاقی الف، رحیمی ع (1394) مدل‌سازی فشار مویینگی میکروسیالات در میکروساختارها با نرم افزار Surface Evolver. مجله علمی پزوهشی دینامیک سازه ها و شاره ها 255-247 :(3)5.

[15] Hong DP, Byon C (2014) Analytic correlation for the capillary pressure of micro-square-pillar arrays. Int J Precis Eng Man 15(12): 2677-2680.

[16] Byon Ch, Kim SJ (2014) Study on the capillary performance of micro-post wicks with non-homogeneous configurations. Int J Heat Mass Tran 68: 415-421.

[17] Ding C, Meinhart CD, MacDonald NC (2010) Surface Modifications of bulk micromachined titanium pillar arrays – A wicking material for thin flat heat pipes. Proceedings of the ASME Micro/Nanoscale Heat and Mass Transfer International Conference 415-419.

[18] Iverson BD, Davis TW, Garimella SV, North MT, Kang SS (2007) Heat and mass transport in heat pipe wick structures. J Thermophys Heat Tr 21(2): 392-404.

[19] Whitaker S (1986) Flow in porous media I: A theoretical derivation of Darcy's law. Transport Porous Med 1(1): 3-25.

[20] Finn R (1999) Capillary surface interfaces. Notices Amer Math Soc 46(7): 770-781.

[21] Cengel YA (2003) Heat transfer a practical approach.

[22] Scharge RW (1953) A theoretical study of interface mass transfer.