بررسی عددی تأثیر میکروساختارها بر انتقال حرارت و اختلاط مایعات در میکروکانالها

 

عنوان                                                                                                              صفحه

 

فصل1:مقدمه1

1-1- پیشگفتار2

1-2- نحوه ساخت میکروکانال5

1-3- توصیف مسأله8

1-4- اهداف پایان نامه11

فصل 2: مروری بر تحقیقات گذشته                                                                     12

فصل 3: اختلاط در ابعاد کوچک                                                                         28

3-1- چالش ايجاد انتقال جرم و اختلاط در ابعاد کوچک                             29

3-2- پديده انتقال جرم                                                                              29

3-2-1- انتقال جرم از طريق مکانيزم نفوذ30

3-2-2- انتقال جرم از طريق مکانيزم جابجايي30

3-3- انواع ريزمخلوط‌کن‌ها و شيوه‌هاي اختلاط31

3-4- میکروکانالهای پره دار به عنوان ريزمخلوط‌کن‌ها                                         34

3-5- روشهاي تعيين ميزان اختلاط                                                               36

فصل 4: معادلات حاکم                                                                                       38

4-1- مقدمه                                                                                            39

4-2- تولید شبکه40

4-3- معادلات حاکم42

4-4- شرایط مرزی43

عنوان                                                                                                              صفحه

فصل 5: نتایج                                                                                                    46

5-1- معرفی هندسه مسأله                                                                          47

5-2- مطالعه شبکه51

5-3- همگرایی54

5-4- سنجش صحت نتایج برای چاه حرارتی                                                    55

میکروکانالی پره دار با فرض دائمی بودن جریان

5-5- نتایج به دست آمده برای چاه حرارتی                                                     58

میکروکانالی پره دار با فرض دائمی بودن جریان

5-5-1- انتقال حرارت در میکروکانال چاه حرارتیcm² 2×1                               58

5-5-2- انتقال حرارت در چاه حرارتیcm² 1×1                                             65

5-6- نرخ تولید انتروپی در چاه حرارتی میکروکانالی73

5-7- بررسی رفتار غیر دائمی جریان در چاه حرارتی میکروکانالی پره دار76

5-7-1- سنجش صحت نتایج برای حل زمانمند جریان                                      76

 حول یک استوانه دو بعدی

5-7-2- نتایج به دست آمده برای چاه حرارتی میکروکانالی                                 79

 پره دار با فرض ناپایدار و دو بعدی بودن جریان

5-7-3- سنجش صحت نتایج برای جریان سه بعدی زمانمند حول یک استوانه82

5-7-4-نتایج به دست آمده برای چاه حرارتی میکروکانالی پره دار                        87

 با فرض ناپایدار و سه بعدی بودن جریان

5-8- نتایج برای اختلاط مایعات در میکروکانالها        88

5-8-1- صحه گذاری نتایج عددی حاضر برای اختلاط مایعات در میکروکانالها           88

5-8-2- نتایج به دست آمده برای اختلاط در میکروکانالها89

فصل 6: جمع بندی و پیشنهادات                                                                      97

6-1-جمع بندی98

عنوان                                                                                                              صفحه

6-2-پيشنهادات99

مراجع100

فهرست شکل ها

 

 

عنوان                                                                                            صفحه

 

شکل 1-1: یک سطح مقطع از میکروکانال تولید شده به روش میکرو-ماشینکاری5

شکل 1-2: طرحی از شکل مقطع چند لایه شده در سیلیکن6

شکل 1-3: برجستگی های ایجاد شده روی پره های توربین گازی 7

به روش LIGAبرای افزایش خنک کاری

شکل 1-4: چاه حرارتی میکروکانالی با توزیع پره های 8

مورب °45 بدون پوشش بالایی

شکل 1-5: چاه حرارتی با چیدمان مورب °45 میکروپره های9

 استوانه ایبدون پوشش بالایی

شکل 1-6: چاه حرارتی با چیدمان یک در میان از میکروپره های9

 استوانه ایبدون پوشش بالایی

شکل 2-1: میکروکانال با هندسه بهینه شده[12]         15

شکل 2-2: نمایی از هندسه مورد مطالعه[13]15

شکل 2-3: میکروکانالهای موجود در مبدلهای حرارتی[16]17

شکل 2-4: میکروکانال ها با سطح مقطع مختلف[17]17

شکل 2-5: شیارهای مستطیلی و کمانی شکل[18]      18

شکل 2-6: (الف) نمای سه بعدی از چاه حرارتی میکروکانالی [19]     19

(ب) نمای بالایی هندسه بررسی شده با چیدمان پره های یک در میان

شکل 2-7: میکروکانال بررسی شده توسط پلس و همکاران[20]20

شکل 2-8: نمایی از مدلسازی زبری ها به صورت مخروط[24]     22

عنوان       صفحه

شکل 2-9: نمایی از پره های مستطیلی شکل در بستر کانال[25]    22

شکل 2-10: نمایی از پره های S شکل در بستر کانال[27]     23

شکل 2-11: میکروکانال های شیاردار[3]      24

شکل 2-12: میکروکانال های دارای میکرو پره های استوانه ای[3]      24

شکل 2-13: الگوی جریان برای مقادیر مختلف عدد رینولدز[29]       25

شکل 2-14: نمایی از شیارهای جناغی شکل در کف میکرومیکسرها[30]     25

شکل 2-15: نمایی از یک میکسر با شیارهای جناغی و نسبت منظری بالا[31]26

شکل 2-16: نمایی از میکرومیکسر طراحی شده توسط چن و همکاران[34]    27

شکل 3-1: ريزمخلوط‌کن‌هاي غيرفعال از نوع Y (سمت راست) و T (سمت چپ)32

شکل 3-2: يک ريزمخلوط‌کن از نوع چند لايه‌اي به نام ريزمخلوط‌کن دايره‌اي     33

شکل 3-3: دو نمونه ريزمخلوط‌کن با ساختار داخلي خاص    33

شکل 3-4: يک طرح شماتيک از تزريق يک سيال در سيال دوم    34

 به منظور انجام عمل اختلاط

شکل3-5: نقاط کارکرد ريزمخلوط‌کن‌هاي معمولي       35

شکل 3-6: نقاط کارکرد ريزمخلوط‌کن‌های بررسی شده در تحقیق حاضر36

شکل 4-1: نمای سه بعدی از شبکه های مستطیلی منظم تولید شده41

شکل 4-2: نمای سه بعدی از شبکه های مستطیلی نا منظم تولید شده41

شکل 4-3: نمای سه بعدی از شبکه های مثلثی نامنظم تولید شده42

شکل 4-4: دامنه محاسباتی جریان     44

شکل 5-1: (الف) نمایی از کل چاه حرارتی میکروکانالی 1×1 سانتی متر مربع            48

(ب) چاه حرارتی میکروکانالی با توزیع پره های مورب °45 بدون پوشش بالایی

 (ج) قسمتی از ناحیه محاسباتی میکروکانال پره دار.

عنوان           صفحه

شکل 5-2: (الف) نمایی از کل چاه حرارتی 1×1 سانتی متر مربع    49

(ب) چاه حرارتی با چیدمان °45 میکروپره های استوانه ایبدون پوشش بالایی

 (ج) قسمتی از ناحیه محاسباتی چاه حرارتی پره دار.

شکل 5-3: (الف) نمایی از کل چاه حرارتی 1×1 سانتی متر مربع 50

(ب) چاه حرارتی با چیدمان یک در میان از میکروپره های استوانه ایبدون

 پوشش بالایی(ج) قسمتی از ناحیه محاسباتی چاه حرارتی پره دار.

شکل 5-4: نمودار تغییرات شار حرارتی بر حسب اندازه شبکه در چاه حرارتی52

 با چیدمان مایل از پره های کوتاه و بلند و ارتفاعmµ500 میکروکانال

شکل 5-5: نمودار تغییرات افت فشار بر حسب اندازه شبکه در چاه حرارتی 52

با چیدمان مایل از پره های کوتاه و بلند و ارتفاعmµ 500 میکروکانال

شکل 5-6: نمودار تغییرات شار حرارتی بر حسب اندازه شبکه 53

در میکروکانال چاه حرارتی بهینه شده

شکل 5-7: نمودار تغییرات افت فشار بر حسب اندازه شبکه53

 در میکروکانال چاه حرارتی بهینه شده

شکل 5-8: نمودار تغییرات شار حرارتی بر حسب اندازه شبکه54

 در چاه حرارتی با چیدمان یک در میان پره ها

شکل 5-9: نمودار تغییرات افت فشار بر حسب اندازه شبکه 54

در چاه حرارتی با چیدمان یک در میان پره ها

شکل 5-10: (الف) چاه حرارتی با چیدمان یک در میان       56

از میکروپره های استوانه ایبدون پوشش بالایی (ج) نمای نزدیکتر از چاه حرارتی پره دار [4]

شکل 5-11: مقایسه نتایج حل عددی با داده های تجربی پلس و کوسر[4]                     57

برای) ( T_ave – T_inبر حسب شار حرارتی در اعداد رینولدز مختلف

 

 

عنوان         صفحه

شکل 5-12: مقایسه نتایج حل عددی با داده های تجربی پلس و کوسر[4]    58

 برای افت فشار بر حسب دبی حجمی

شکل 5-13: نمایی از میکروکانال چاه حرارتی با چیدمان          59

پره های مایل ارائه شده توسط کندلیکار و گرند[3]

شکل 5-14: مقایسه شار حرارتی بین میکروکانال ساده با میکروکانال ها60

 در حالات مختلف میکروپره ها، T_s= 85° C Re= 387.

شکل 5-15: مقایسه سرعت در جهت X بین میکروکانال ساده61

 و پره دار در Re= 387.

شکل 5-16: مقایسه دما در جهت X بین میکروکانال ساده 62

و پره دار در Re= 387, T_in=15° C, T_s= 85° C.

شکل 5-17: مقایسه فاکتور اصطکاک بین میکروکانال ساده با 63

میکروکانالها در حالات مختلف میکروپره ها،T_s= 85° C, Re= 387.

شکل 5-18: مقایسه ضریب عملکرد بین میکروکانال ساده با میکروکانالها64

 در حالات مختلف میکروپره ها،T_s= 85° C, Re= 387

شکل 5-19: مقایسه شار گرمایی بر حسب توان پمپاژ چاه حرارتی وچاه حرارتی   66

 میکروکانالی با چیدمان یکسان از ردیفهای مایل پره ها و سه ارتفاع متفاوت میکروکانال

شکل 5-20: مقایسه شار گرمایی بر حسب توان پمپاژ در میکروکانال چاه حرارتی      67

 پره دار با سه الگوی توزیع ارتفاعات متفاوت پره ها

شکل 5-21: مقایسه شار گرمایی بر حسب توان پمپاژ در چاههای حرارتی مختلف  68

شکل 5-22 مقایسه شار گرمایی بر حسب دبی جرمی کل در چاههای حرارتی مختلف   69

شکل 5-23: خطوط مسیر بر حسب مقدار سرعت در میکروکانال چاه حرارتی با               70

ردیف پره های مایل و ارتفاع کانال mµ 90با سرعت ورودی 55/2 متر بر ثانیه

عنوان           صفحه

شکل 5-24: نمایش کانتور سرعت در جهت x در صفحه  y = 200 µmاز 71

میکروکانال چاه حرارتی با ردیف پره های مایل و ارتفاع کانال mµ 500در توان پمپاژ 2 وات با سرعت ورودی 62/2 متر بر ثانیه

شکل 5-25: کانتور دما در پره ها و پایه میکروکانال چاه حرارتی 72

با ردیف پره های مایل و ارتفاع کانال mµ 500در توان پمپاژ (A) 05/0 وات با سرعت

ورودی 625/0 متر بر ثانیه (B) 5/0 وات با سرعت ورودی 54/1 متر بر ثانیه(C)2 وات

 با سرعت ورودی 62/2 متر بر ثانیه

شکل 5-26: نمودار نرخ تولید انتروپی برای چاه حرارتی 73

میکروکانالی cm² 2×1 با دبی جرمی ثابت.

شکل 5-27: نمودار نرخ تولید انتروپی برای چاه حرارتی 74

میکروکانالی cm² 1×1 با توان پمپاژ یکسان.

شکل 5-28: نمودار نرخ تولید انتروپی بی بعد برای چاه حرارتی          75

میکروکانالی cm² 2×1 با دبی جرمی ثابت.

شکل 5-29: نمودار نرخ تولید انتروپی بی بعد برای چاه حرارتی        75

میکروکانالی cm² 1×1 با توان پمپاژ یکسان.

شکل 5-30: (الف) شرایط مرزی و ناحیه محاسباتی دو بعدی قبل از ایجاد                     77

 شبکه (ب) شبکه بندی ناحیه محاسباتی دو بعدی حل زمانمند اطراف استوانه دو بعدی

شکل 5-31: نوسانات ضریب پسا و برا با زمان در Re=300 و        78

در نقطه ای پشت استوانه دو بعدی (x=2.85) ارائه شده توسط کالرو و تزدویار [53]

شکل 5-32: نوسانات ضریب پسا (در جهت جریان) با زمان در Re=300 و      78

در نقطه ای پشت استوانه دو بعدی (x=2.85)

شکل 5-33: نوسانات ضریب برا (در جهت y) بر حسب زمان در Re=300 و               79

در نقطه ای پشت استوانه دو بعدی (x=2.85)

عنوان               صفحه

شکل 5-34: تغییرات عدد استروهال با عدد رینولدز برای ناحیه برگشتی پشت استوانه، 80

 داده های حاصل از مشاهدات تجربی و شبیه سازی های کامپیوتری جریان دو بعدی[54]

شکل 5-35: (الف) نمایی از ناحیه محاسباتی چاه حرارتی میکروکانالی81

 دو بعدی با چیدمان پره های مایل (ب) نمای نزدیک از شبکه بندی اطراف دایره ها در چاه حرارتی میکروکانالی دو بعدی

شکل 5-36: نمودار شار حرارتی سطح بر حسب زمان82

 برای حل دائمی و غیر دائمی در دو بعد

شکل 5-37: نمایی از شبکه بندی ناحیه محاسباتی سه بعدی83

 حل زمانمند اطراف استوانه[53]

شکل 5-38:نوسانات ضریب پسا و برا با زمان در Re=300 و83

 در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85) ارائه شده توسط کالرو و تزدویار [53]

شکل 5-39:نوسانات سرعت در جهت های مختلف با زمان در Re=300 و84

 در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85) ارائه شده توسط کالرو و تزدویار [53]

شکل 5-40: نوسانات ضریب پسا (در جهت جریان) با زمان در Re=300 و84

 در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85)

شکل 5-41: نوسانات ضریب برا (در جهت y) بر حسب زمان در Re=300 و      85

 در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85)

شکل 5-42: نوسانات u (در جهت x) بر حسب زمان در Re=300 و      85

 در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85)

شکل 5-43: نوسانات v (در جهت y) بر حسب زمان در Re=300 و       86

 در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85)

شکل 5-44: نوسانات w (در جهت z) بر حسب زمان در Re=300 و                          86

در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85)

عنوان               صفحه

شکل 5-45: نمودار نرخ انتقال حرارت سطحی بر حسب زمان برای                           87

حل دائمی و غیر دائمی در سه بعد

شکل 5-46: هندسه بررسی شده توسط چن و لام [55]با ابعاد       88

L=4.5cm, W=150 µm, b=20 µm

شکل 5-47: نمودار غلظت در قسمت راست مقطع خروجی میکروکانال،89

سرعت متوسط 1cm/s، ضریب نفوذ مولکولی D=10^-6 (cm²/s).

شکل 5-48:بازده اختلاط بر حسب طول در میکروکانالهای مختلف90

شکل 5-49: بازده اختلاط بر حسب عدد رینولدز در میکروکانالهای مختلف91

 وصفحه x=4.45 میلیمتر

شکل 5-50: کانتور غلظت در طول میکروکانال پره دار با چیدمان یک در میان91

 و (V_inlet=0.001(m/s.

شکل 5-51: کانتور غلظت در طول میکروکانال پره دار با چیدمان یک در میان92

 و V_inlet=1(m/s).

شکل 5-52: (الف) کانتور غلظت در کل طول میکروکانال ساده بهینه 93

با عدد رینولدز 08/0 (ب) کانتور غلظت در ابتدای میکروکانال ساده بهینه با عدد رینولدز 08/0

شکل 5-53: (الف) کانتور غلظت در کل طول میکروکانال ساده بهینه 94

با عدد رینولدز 80 (ب) کانتور غلظت در انتهای میکروکانال ساده بهینه با عدد رینولدز 80

شکل 5-54: کانتور غلظت در طول میکروکانال پره دار با چیدمان یک در میان95

 و ضریب نفوذ صفر با مقدار عدد رینولدز 0.08

شکل 5-55: کانتور غلظت در طول میکروکانال ساده بهینه با ضریب نفوذ صفر                95

 و عدد رینولدز 0.08

شکل 5-56: بازده اختلاط میکروکانال پره دار با چیدمان یک در میان    96

 و میکروکانال ساده بهینه بر حسب ضریب نفوذ در عدد رینولدز 08/0

 

 

 

فهرست جدول ها

 

 

عنوان                                                                                                               صفحه

 

جدول 3-1:عدد رینولدز و عدد پکلت برای ریزمخلوط کن های                                35

 بررسی شده در تحقیق حاضر

جدول 4-1:خواص فیزیکی ماده خنک کن و فاز جامد                                           45

جدول 5-1:ابعاد چاه حرارتی میکروکانالی 51

جدول 5-2:ابعاد چاه حرارتی استفاده شده برای اعتبار سنجی نتایج                          56

جدول 5-3:ابعاد چاه حرارتی میکروکانالی با چیدمان پره های مایل59

جدول 5-4:تعداد میکروپره ها برای حالات مختلف مطالعه شده59

جدول 5-5:ابعاد چاه حرارتی میکروکانالی دو بعدی با چیدمان پره های مایل81