Numeryczne modelowanie przepływów laminarnych w mikrokanałach Institut National Polytechnique de Grenoble Department of Fluid and Mechanical Engineering Laboratory of LEGI Technical University of Czestochowa Institute of Thermal Machinery Numeryczne modelowanie przepływów laminarnych w mikrokanałach Mgr inż. Mariusz Niklas Prof. Michel Favre-Marinet

Zastosowanie – przede wszystkim do chłodzenia układów elektronicznych Mikrokanały Zastosowanie – przede wszystkim do chłodzenia układów elektronicznych Zalety: - dużo większy współczynnik wymiany ciepła w porównaniu z układami konwencjonalnymi - możliwość budowy układów chłodzenia zintegrowanych z układami elektronicznymi Wady: - zmniejszanie średnicy hydraulicznej powoduje zwiększenie oporów przepływu oraz możliwość wystąpienia efektu skali

Geometria modelu eksperymentalnego

Liczba Poiseuille Współczynnik tarcia Cf Naprężenia styczne: Spadek ciśnienia:

Wyniki eksperymentu

Ustawienia Czynnik: woda Opcje przepływu: - przepływ laminarny - ustalony - izotermiczny - nieściśliwy

Przepływ przez pojedynczy kanał Geometria pojedynczego kanału a = 215 m h = 150 m L = 15 mm Dh=110m Obliczenia przeprowadzone zostały w trzech krokach: Pierwszy – dla przepływu w pełni rozwiniętego Drugi – dla przepływu z efektem wejściowym Trzeci – dla przepływu ze stratami lokalnymi

Przepływ w pełni rozwinięty dla pojedynczego kanału. Calculations Literature h/a ratio = 0.68 h/a ratio = 0.714 Po = 13.3 Po = 13.311

Pole prędkości dla przepływu z uwzględnieniem efektu wejściowego.

Wyniki obliczeń dla przepływu z uwzględnieniem efektu wejściowego.

Model i obliczenia dla przepływu z uwzględnieniem strat w obszarze wlotu.

Wyniki obliczeń dla przepływu z uwzględnieniem strat lokalnych w obrębie wlotu do mikrokanału.

Przepływ przez system kanałów Dwa modele systemu kanałów zostały zbadane: Model uproszczony. Model ten składa się z 27 mikrokanałów połączonych poprzez kanał dystrybucyjny i kanał kolektorowy. Model odzwierciedlający układ rzeczywisty.

Uproszczony model systemu kanałów Triangular microchannels Hydraulic diameter Dh=110m Length of the microchannel L=18,4mm Distribution channel Collector channel High of channel hdc=188m Width of channel adc=800m Length of channel on one section Ldc=364m

Wyniki obliczeń dla przepływu przez uproszczony model układu.

Ciśnienie w kanale dystrybucyjnym i w kanale kolektorowym.

Kontury składowej prędkości w kierunku osi Z w kanale dystrybucyjnym Kontury składowej prędkości w kierunku osi Z w kanale dystrybucyjnym. Re=190

Kontury składowej prędkości w kierunku osi Z w kanale kolektorowym Kontury składowej prędkości w kierunku osi Z w kanale kolektorowym. Re=190

Rzeczywisty model systemu kanałów Triangular microchannels Hydraulic diameter Dh=110m Length of the microchannel L=18,4mm Distribution channel Collector channel High of channel hdc=188m Width of channel adc=800m Length of channel on one section Ldc=364m Mine inlet and outlet channel adc=835m Length of channel Ldc=1,5mm

Wyniki obliczeń dla przepływu przez rzeczywisty model układu.

Ciśnienie w dystrybutorze i w kolektorze dla Re =390 Ciśnienie względem płaszczyzny symetrii całego układu. Re=390

Obraz pola prędkości w obszarze wlotu. Re=390 Kontury składowej prędkości w kierunku osi Z

Obraz pola prędkości w obszarze wylotu. Re=390 Contours of velocity magnitude on outflow region Contours of X-velocity component on outflow region

Średnia prędkość w poszczególnych kanałach.

Udział poszczególnych zjawisk w całkowitej stracie ciśnienia w funkcji liczby Re.

Wnioski Dla zadanej geometrii układu mikrokanałów nie występuje efekt skali. Wyniki symulacji numerycznych wykazały, że stosunkowo duże opory przepływu w układzie spowodowane są przez niewłaściwą geometrię. Można wyróżnić trzy zasadnicze efekty związane z geometrią układu: Przepływ w kanale kolektorowym. Przyczyną strat ciśnienia w tym kanale są zakłócenia spowodowane przez strugi wypływające z mikrokanałów. Oderwanie warstwy w obrębie wlotu do kanału dystrybucyjnego i wystąpienie przepływu zwrotnego w tym obszarze. Oderwanie warstwy w obrębie wylotu z kanału kolektorowego i wystąpienie przepływu zwrotnego w tym obszarze.

Accuracy of the computation in the real complete system Residuals for the case with 600000 volumes The pressure changes in chosen points of the model for the case with 600000 volumes

The pressure distribution in distributor and collector channels for the cases with 900000 volumes, 600000 volumes and with 300000volumes The differences between distribution of pressure in distributions collector channel for all cases (900000, 600000, 300000 volumes) are very small. The difference between the pressure total drop for system with 900000 of volumes and for system with 300000 volumes is less than 3%.