بررسی عددی اثر ویژگی‌های هندسی و ترموفیزیکی محیط متخلخل بر عملکرد حرارتی میکروکانال-چاه گرمایی فین‌دار

نوع مقاله : مقاله مستقل

نویسندگان

1 دانشیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران.

2 دانشجو، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران.

10.22044/jsfm.2025.15967.3953

چکیده

در این پژوهش، عملکرد حرارتی میکروکانال-چاه گرمایی ادغام‌شده با محیط متخلخل به‌صورت عددی و سه‌بعدی مورد بررسی قرار گرفته است. هندسه میکروکانال در سه نوع مختلف (مربعی، دایره‌ای و فین‌دار) در نظر گرفته شده است. شبیه‌سازی‌های عددی با استفاده از نرم‌افزار انسیس فلوئنت و روش حجم محدود انجام شده است. محدوده عدد رینولدز جریان بین ۵۰ تا ۱۰۰۰ بوده که رژیم جریان آرام است. در این تحقیق، تأثیر فین با هندسه جدید، تغییرات شکل هندسی میکروکانال، تغییرات شار حرارتی، ضریب تخلخل، عدد دارسی و نسبت ضریب رسانایی حرارتی جامد به سیال در محیط متخلخل بر عملکرد حرارتی میکروکانال-چاه گرمایی ارزیابی شده است. نتایج نشان می‌دهند که میکروکانال مربعی-چاه گرمایی بهترین عملکرد حرارتی را نسبت به سایر هندسه‌ها دارد. عملکرد حرارتی سیستم به‌طور مستقیم تحت تأثیر توزیع مکانی شار حرارتی در سطح فعال است، که در بهبود انتقال حرارت نقش کلیدی ایفا می‌کند. همچنین استفاده از فین متخلخل موجب افزایش بازده حرارتی سیستم شده و میزان این افزایش به ویژگی‌های محیط متخلخل مانند تخلخل، عدد دارسی و نسبت رسانایی حرارتی وابسته است؛ که در این میان، نسبت رسانایی حرارتی، تأثیرگذارترین عامل شناخته شد. به‌ویژه، هنگامی که ضریب تخلخل محیط متخلخل به‌صورت تابعی از موقعیت در راستای جریان (z) تغییر یابد، می‌توان تا ۳۸٪ بهبود در عملکرد حرارتی سامانه حاصل کرد. این تحقیق به‌روشنی نشان می‌دهد که اصلاح ویژگی‌های محیط متخلخل، به‌ویژه تخلخل و رسانایی حرارتی، نقش کلیدی در ارتقاء عملکرد سامانه‌های میکروکانال-چاه گرمایی دارد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] T.-C. Hung, W.-M. Yan, (2012) Effects of tapered-channel design on thermal performance of microchannel heat sink, Int. Commun. Heat Mass Transf., 39(9), 1342–1347.
[2] H.R. Seyf, B. Nikaaein, (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.
[3] B. Fani, M. Kalteh, A. Abbassi, (2015) Investigating the effect of Brownian motion and viscous dissipation on the nanofluid heat transfer in a trapezoidal microchannel heat sink, Adv. Powder Technol., 26(1) 83–90.
[4] V. Duryodhan, A. Singh, S.G. Singh, A. (2015) Agrawal, Convective heat transfer in diverging and converging microchannels, Int. J. Heat Mass Transf., 80, 424–438.
[5] C. Ho, Y.-C. Liu, M. Ghalambaz, W.-M. Yan, (2020) Forced convection heat transfer of Nano-Encapsulated Phase Change Material (NEPCM) suspension in a mini-channel heatsink, Int. J. Heat Mass Transf., 155, 119858.
[6] S. Motahar, M. Jahangiri, (2020) Transient heat transfer analysis of a phase change material heat sink using experimental data and artificial neural network, Appl. Therm. Eng., 167, 114817.
[7] R.P.L. Prakash, M. Selvam, A.A.S. Pandian, S. Palani, K. Harish, (2016) Design and Modification of Radiator in IC Engine Cooling System for Maximizing Efficiency and Life, Indian J. Sci. Technol., 9(2),1–2.
[8] D. Jing, L. He, (2019) Numerical studies on the hydraulic and thermal performances of microchannels with different cross-sectional shapes, Int. J. Heat Mass Transf., 143, 118604.
[9] A. Moradikazerouni, M. Afrand, J. Alsarraf, O. Mahian, S. Wongwises, M.-D. Tran, (2019) Comparison of the effect of five different entrance channel shapes of a micro-channel heat sink in forced convection with application to cooling a supercomputer circuit board, Appl. Therm. Eng., 150, 1078–1089.
[10] A. Ghahremannezhad, K. Vafai, (2018) Thermal and hydraulic performance enhancement of microchannel heat sinks utilizing porous substrates, Int. J. Heat Mass Transf., 122,1313–1326.
[11] S.B. Beni, A. Bahrami, M.R. Salimpour, (2017) Design of novel geometries for microchannel heat sinks used for cooling diode lasers, Int. J. Heat Mass Transf., 112, 689–698.
[12] Q. Long, Q. Wang, Y. Mao, J. Gu, L. Wang, Y. He, (2023) Thermal performance of a laser-diode end-pumped Nd:YVO4 slab crystal cooled by a pair of microchannel heat sinks, Int. J. Therm. Sci., 194, 108547.
[13] S.H. Kim, H.-C. Shin, S.-M. Kim, (2019) Numerical study on cooling performance of hybrid micro-channel/micro-jet-impingement heat sink, J. Mech. Sci. Technol., 33, 3555–3562.
[14] M. Peng, L. Chen, W. Ji, W. Tao, (2020) Numerical study on flow and heat transfer in a multi-jet microchannel heat sink, Int. J. Heat Mass Transf., 157, 119982.
[15] C. Wang, L. Wang, B. Sundén, (2015) A novel control of jet impingement heat transfer in cross-flow by a vortex generator pair, Int. J. Heat Mass Transf., 88, 82–90.
[16] K. Dhuper, L. Kumar, S. Duttagupta, (2024) Thermal Optimization of MCHS with Conical Microfins using Non Dominating Sorting Genetic Algorithm (NSGA-II), in: Proc. 27th Natl. 5th Int. ISHMT-ASTFE Heat Mass Transf. Conf., IIT Patna, India, Begel House Inc.
[17] F. Althoey, S.Q. Salih, P.K. Singh, A. Shawabkeh, S. Alkhalaf, F.S. Alharbi, S. Abdullaev, Y. Elmasry, A. Deifalla, (2024) Overall efficiency increment in a pin-fin microchannel heat sink using response surface methodology and Pareto optimization, Case Stud. Therm. Eng., 53, 103855.
[18] H. Dai, Y. Liu, (2024) Field synergy analysis on thermal-hydraulic behavior of phase change slurry in porous microchannel heat sink with graded porosity configuration, Appl. Therm. Eng., 246, 122904.
[19] C. Xue, A.M. Abed, P.K. Singh, S. Formanova, Y. Elmasry, I. Mahariq, (2024) Numerical study on thermal and hydraulic performance of supercritical CO2 flowing in a microchannel heat sink with porous substrates, Case Stud. Therm. Eng., 61, 105028.
[20] H. Dai, Y. Liu, (2024) Hydrothermal analysis of parallel and symmetric microchannels with phase change slurry and porous fin designs, Int. J. Therm. Sci., 203, 109142.
[21] D.A. Nield, A. Bejan, (2006)Convection in Porous Media, Springer.
[22] A. Shahsavar, M. Rashidi, M.M. Mosghani, D. Toghraie, P. Talebizadehsardari, (2020) A numerical investigation on the influence of nanoadditive shape on the natural convection and entropy generation inside a rectangle-shaped finned concentric annulus filled with boehmite alumina nanofluid using two-phase mixture model, J. Therm. Anal. Calorim., 141(2), 915–930.
[23] R. Karami, B. Kamkari, (2019) Investigation of the effect of inclination angle on the melting enhancement of phase change material in finned latent heat thermal storage units, Appl. Therm. Eng., 146, 45–60.
[24] M. Dehghan, M.S. Valipour, S. Saedodin, (2016) Microchannels enhanced by porous materials: heat transfer enhancement or pressure drop increment?, Energy Convers. Manag., 110, 22–32.
[25] M. Dehghan, M.S. Valipour, S. Saedodin, Y. Mahmoudi, (2016) Investigation of forced convection through entrance region of a porous-filled microchannel: an analytical study based on the scale analysis, Appl. Therm. Eng., 99, 446–454.
[26] M. Dehghan, Z. Azari Nesaz, A. Pourrajabian, S. Rashidi, (2021) On the forced convective flow inside thermal collectors enhanced by porous media: from macro to micro-channels, Int. J. Numer. Methods Heat Fluid Flow, 31(8), 2462–2483.
[27] S.D. Farahani, A.D. Farahani, E. Hajian, (2021) Effect of PCM and porous media/nanofluid on the thermal efficiency of microchannel heat sinks, Int. Commun. Heat Mass Transf., 127, 105546.
[28] T.L. Bergman, A.S. Lavine, F.P. Incropera, D.P. DeWitt, (2021) Introduction to Heat Transfer, John Wiley & Sons.
[29] R.J. Phillips, (1988) Microchannel heat sinks, Lincoln Lab. J., 1(1) 31–48.
[30] S.E. Ghasemi, A. Ranjbar, M. Hosseini, (2017) Experimental and numerical investigation of circular minichannel heat sinks with various hydraulic diameter for electronic cooling application, Microelectron. Reliab., 73, 97–105.