مطالعه سه‌بعدي آثار دو آرايش ورودي/خروجي جريان و استفاده از نانوسيال بر عملكرد يك چاه‌گرمايي با ميكروكانال‌هاي مثلثي

Three dimensional investigations of inlet/outlet arrangements and nanofluid utilization effects on a triangular microchannel heat sink performance

در اين تحقيق عددي جريان آرام نانوسيال، انتقال حرارت و ساير مشخصه‌هاي عملكردي يك چاه‌گرمايي، شامل هفت ميكروكانال با مقطع مثلث متساوي‌الساقين، با لحاظ نمودن هدايت در قسمت‌هاي جامد به صورت سه بعدي بررسي شده‌است. دو آرايش ورود و خروج افقي (آرايش I) و ورود و خروج عمودي (آرايش U) در نظر گرفته شده‌اند و شبيه‌سازي‌ها براي شار‌حرارتي ثابت 125 كيلووات بر مترمربع ورودي به كف چاه حرارتي انجام شده‌اند. در مطالعات پيشين مربوط به اثر آرايش ورود و خروج از جريان آب در ميكروكانال‌هاي مستطيلي استفاده شده‌است، ولي در اين تحقيق از جريان نانوسيال آب-اكسيد مس با كسر حجمي‌هاي از صفر تا 4 درصد در ميكروكانال مثلثي استفاده شده‌است. همچنين خواص ترموفيزيكي نانوسيال با دما متغير لحاظ شده‌اند و اثر حركت براوني نانوذرات لحاظ و اهميت استفاده از نانوسيال و در نظرگرفتن حركت براوني مطالعه شده‌است. نتايج نشان مي‌دهد براي هر دو آرايش با افزايش افت فشار عملكرد چاه‌گرمايي از نظر انتقال حرارت، مقاومت حرارتي و توزيع يكنواخت دما در كف چاه‌گرمايي بهبود مي‌يابد. همچنين براي هر دو آرايش، افزايش كسر حجمي تا 2 درصد منجر به بهبود عملكرد حرارتي مي‌شود، اما افزايش بيشتر آن منجر به افزايش مقاومت حرارتي و غيريكنواختي‌ بيشتر دما در كف چاه‌گرمايي و ثابت ماندن ناسلت مي‌شود. مقايسه نتايج اين تحقيق با نتايج مطالعات پيشين در خصوص نقش آرايش ورود و خروج نشان مي‌دهد كه عملكرد حرارتي علاوه بر آرايش ورود و خروج به شكل و هندسه ميكروكانال‌ها وابسته است و براي چاه گرمايي اين تحقيق عملكرد آرايش I بهتر از آرايش U است.

In this numerical study, three dimensional laminar flow, heat transfer and other thermal characteristics of a microchannel heat sink, consisting of seven isosceles triangular microchannels, have been investigated. For this purpose, conduction in the solid parts has been considered and two different horizontal inlet/outlet (I-type) and vertical inlet/outlet (U-type) arrangements have been considered. Simulations have been performed for a constant heat flux of 125 kWm-2 entering from the substrate. In previous studies flow of water in rectangular microchannles has been considered, but in this study CuOwater nanofluid has been utilized. The effects of the Brownian motion of nanoparticles and variation of thermophysical properties of the nanaofluid with termperature have been considered and their importances studied. The results show that with increasing pressure drop, the heat sink performance in terms of heat transfer, thermal resistance and uniform temperature distribution at subtrate improves for the two nominated arrangements. Also increasing the volume fraction to 2% improves the heat sink performance, but as it increases further the thermal resistance and the non-uniformity of temperature at the bottom plate enlarge with no heat transfer improvement. Making comparison with the results of the previous studies on the effect of inlet/outlet arrangement proves that the thermal performance is affected by both of the inlet/outlet arrangement as well as the shape and geometry of the microchannels. For the heat sink of this study with triangular microchannels the performance of the I-type arrangement is better than the U-type arrangement.