مطالعه عددی جریان و انتقال حرارت اسلاری حاوی نانوکپسول‌های مواد تغییر فاز‌دهنده درون میکروکانال با حفره‌های سینوسی و دندانه‌های مستطیلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران.

چکیده

در مطالعه‌ی عددی حاضر، عملکرد حرارتی-هیدرودینامیکی اسلاری حاوی نانو کپسول‌های مواد تغییرفاز دهنده به‌عنوان سیال عامل در یک جاذب حرارتی میکروکانالی مورد بررسی قرار گرفته‌است. به این منظور، یک جاذب گرمایی با حفره‌های سینوسی شکل و دندانه‌های مستطیلی موجود در میانه‌ی کانال به عنوان هندسه‌ی مورد بررسی انتخاب و جریان آرام و پایای مخلوط همگن حامل نانوذرات تغییرفاز دهنده در این هندسه‌ی پیچیده مطالعه شده است. برای مدلسازی جریان مخلوط از یک مدل تکفاز همگن استفاده گردید و معادلات حاکم بر جریان و انتقال حرارت با کمک روش حجم محدود گسسته سازی شدند. از نرم افزار انسیس فلوئنت برای حل معادلات حاکم و شبیه‌سازی جریان استفاده شده‌است. برای سنجش عملکرد حرارتی-هیدرودینامیکی مخلوط‌های مورد مطالعه از عدد ناسلت، ضریب اصطکاک و ضریب عملکرد استفاده گردید و شبیه‌سازی‌ها برای محدوده‌ی اعداد رینولدز 200 تا 1000 و غلظت حجمی 0 تا 30% برای نانوذرات انجام شدند. با توجه به ویژگی گرمای نهان بالای مواد تغییر فاز دهنده، به‌کارگیری آن‌ها در سیال پایه منجر به ارتقای ظرفیت گرمایی سیال کاری می‌شود و این امر می‌تواند به بهبود عملکرد حرارتی جاذب گرمایی برای خنک کاری قطعات الکترونیکی ریز مقیاس منجر شود. نتایج حاصل نشان داد که افزودن نانو کپسول‌های مواد تغییرفازدهنده به یک سیال پایه‌ی متداول مانند آب می‌تواند عملکرد حرارتی-هیدرودینامیکی آن را به‌ویژه در اعداد رینولدز پایین تقویت کند. در مطالعه‌ی حاضر افزایش 6 تا 48 درصدی عدد ناسلت برای مخلوط حاوی مواد تغییرفازدهنده گزارش شده‌است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Convective Heat Transfer of Nano-Encapsulated Phase Change Material Slurries in Micro-Channels with Sinusoidal Cavities and Rectangular Ribs

نویسندگان [English]

  • Hadi Nemati-Moghadam
  • Ali Ahmadpour
  • Mohammad Reza Hajmohammadi
Department of Mechanical Engineering,, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran.
چکیده [English]

In the present study, the Thermo-hydraulic performance evaluation of nano-encapsulated phase change material slurries was undertaken in a micro-channel heat sink. The present research was motivated by the urgent need for the performance enhancement of micro-sized heat sinks for the electronic cooling application. A micro-channel with sinusoidal cavities and rectangular ribs was chosen as the flow domain in the present study and the steady laminar flow of nano-encapsulated phase change material slurries was investigated inside the micro-channel. A single-phase model was adopted for the simulation of slurry flow and heat transfer using the well-known finite volume method. Ansys Fluent software was used to solve the governing equations and simulate the flow. In the current study, Nusselt number, friction factor, and performance factor were used to measure the thermal-hydrodynamic performance of the studied slurries. Numerical simulations were performed for Reynolds numbers ranging from 200 to 1000 and nanoparticle concentrations ranging from 0 to 30%. It was shown that adding nano-encapsulated phase change material to a base fluid like water enhanced the thermal performance of the resulting slurry. A 6% to 48% increase in the Nusselt number was reported along the microchannel.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Numerical solution
  • Electronic cooling
  • Micro-channel with sinusoidal cavities and rectangular ribs
  • Nano-encapsulated phase change material
  • Performance factor

مراجع

[1] D.B. Tuckerman, R.F.W. Pease, IIIB-8 implications of high performance heat sinking for electron devices, IEEE Transactions on Electron Devices, 28(10) (1981) 1230-1231.
[2] Z. He, Y. Yan, Z. Zhang, Thermal management and temperature uniformity enhancement of electronic devices by micro heat sinks: A review, Energy, 216 (2021) 119223.
[3] G. Xia, Y. Zhai, Z. Cui, Numerical investigation of thermal enhancement in a micro heat sink with fan-shaped reentrant cavities and internal ribs, Applied Thermal Engineering, 58(1) (2013) 52-60.
[4] Y.L. Zhai, G.D. Xia, X.F. Liu, Y.F. Li, Heat transfer in the microchannels with fan-shaped reentrant cavities and different ribs based on field synergy principle and entropy generation analysis, International Journal of Heat and Mass Transfer, 68 (2014) 224-233.
[5] Y.L. Zhai, G.D. Xia, X.F. Liu, Y.F. Li, Exergy analysis and performance evaluation of flow and heat transfer in different micro heat sinks with complex structure, International Journal of Heat and Mass Transfer, 84 (2015) 293-303.
[6] I.A. Ghani, N. Kamaruzaman, N.A.C. Sidik, Heat transfer augmentation in a microchannel heat sink with sinusoidal cavities and rectangular ribs, International Journal of Heat and Mass Transfer, 108 (2017) 1969-1981.
[7] P. Sikdar, A. Datta, N. Biswas, D. Sanyal, Identifying improved microchannel configuration with triangular cavities and different rib structures through evaluation of thermal performance and entropy generation number, Physics of Fluids, 32(3) (2020) 033601.
[8] R. Chein, G. Huang, Analysis of microchannel heat sink performance using nanofluids, Applied Thermal Engineering, 25(17) (2005) 3104-3114.
[9] B. Zalba, J.M. Marı́n, L.F. Cabeza, H. Mehling, Review on thermal energy storage with phase change: materials, heat transfer analysis and applications, Applied Thermal Engineering, 23(3) (2003) 251-283.
[10] F. Agyenim, N. Hewitt, P. Eames, M. Smyth, A review of materials, heat transfer and phase change problem formulation for latent heat thermal energy storage systems (LHTESS), Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14(2) (2010) 615-628.
[11] M.N.A. Hawlader, M.S. Uddin, M.M. Khin, Microencapsulated PCM thermal-energy storage system, Applied Energy, 74(1) (2003) 195-202.
[12] C. Liu, Z. Rao, J. Zhao, Y. Huo, Y. Li, Review on nanoencapsulated phase change materials: Preparation, characterization and heat transfer enhancement, Nano Energy, 13 (2015) 814-826.
[13] K. Cho, M. Choi, Experimental study on the application of paraffin slurry to high density electronic package cooling, Heat and Mass Transfer, 36(1) (2000) 29-36.
[14] R. Sabbah, M.M. Farid, S. Al-Hallaj, Micro-channel heat sink with slurry of water with micro-encapsulated phase change material: 3D-numerical study, Applied Thermal Engineering, 29(2) (2009) 445-454.
[15] S. Sabbaghi, S. Mehravar, Effect of Using Nano Encapsulated Phase Change Material on Thermal Performance of Micro Heat Sink, International Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 11(1) (2015) 33-38.
[16] B. Rajabifar, Enhancement of the performance of a double layered microchannel heatsink using PCM slurry and nanofluid coolants, International Journal of Heat and Mass Transfer, 88 (2015) 627-635.
[17] M. Mohib Ur Rehman, T.A. Cheema, M. Khan, A. Abbas, H. Ali, C.W. Park, Parametric evaluation of a hydrofoil-shaped sidewall rib-employed microchannel heat sink with and without nano-encapsulated phase change material slurry as coolant, Applied Thermal Engineering, 178 (2020) 115514.
[18] H. Dai, W. Chen, Numerical investigation of heat transfer in the double-layered minichannel with microencapsulated phase change suspension, International Communications in Heat and Mass Transfer, 119 (2020) 104918.
[19] H. Dai, W. Chen, Q. Cheng, Y. Liu, X. Dong, Analysis of thermo-hydraulic characteristics in the porous-wall microchannel with microencapsulated phase change slurry, International Journal of Heat and Mass Transfer, 165 (2021) 120634.
[20] J. Rostami, Convective heat transfer by micro-encapsulated PCM in a mini-duct, International Journal of Thermal Sciences, 161 (2021) 106737.
[21] C. Ho, Y.-C. Liu, M. Ghalambaz, W.-M. Yan, Forced convection heat transfer of Nano-Encapsulated Phase Change Material (NEPCM) suspension in a mini-channel heatsink, International Journal of Heat and Mass Transfer, 155 (2020) 119858.
[22] F.P. Incropera, D.P. Dewitt, T.L. Bergman, A.S. Lavine, Fundamentals of heat and mass transfer, john wiley & sons, 2002.
[23] D.G. Thomas, Transport characteristics of suspension: VIII. A note on the viscosity of Newtonian suspensions of uniform spherical particles, Journal of Colloid Science, 20(3) (1965) 267-277.
[24] Y. Zhang, X. Hu, X. Wang, Theoretical analysis of convective heat transfer enhancement of microencapsulated phase change material slurries, Heat and Mass Transfer, 40(1) (2003) 59-66.
[25] H.R. Seyf, Z. Zhou, H.B. Ma, Y. Zhang, Three dimensional numerical study of heat-transfer enhancement by nano-encapsulated phase change material slurry in microtube heat sinks with tangential impingement, International Journal of Heat and Mass Transfer, 56(1) (2013) 561-573.
[26] M. Goel, S.K. Roy, S. Sengupta, Laminar forced convection heat transfer in microcapsulated phase change material suspensions, International journal of heat and mass transfer, 37(4) (1994) 593-604.
[27] S. Kuravi, K.M. Kota, J. Du, L.C. Chow, Numerical investigation of flow and heat transfer performance of nano-encapsulated phase change material slurry in microchannels, Journal of heat transfer, 131(6) (2009).
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 1
فروردین 1401
صفحه 169-188

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار