SUPERVISOR
Mohamadreza Salimpour,Ebrahim Shirani
محمدرضا سلیم پور (استاد راهنما) ابراهیم شیرانی چهارسوقی (استاد مشاور)
STUDENT
MOLOUD MARDANI
مولود مردانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1391
TITLE
Heat and Fluid Flow Analysis in Triangle Microchannel Heat Sinks usin Constructal Theory
In the last few decades, scientific developments and daily increment needs for design and manufacturing of the smaller devices with stronger capability have changed international public direction of the investigations, technology and industry for using of new devices in micro and nano dimensions. These devices are used for different aspects such as electronic and cooling of the circuit which are applied in design and manufacturing of the computers and electro-mechanic systems. Inasmuch as working condition of this equipment is directly related to its temperature, keeping it in the safe temperature limitation is vital. Many different methods have been proposed to improve the cooling process of the electronic systems with massive heat flux production and compacted size. Among these methods, micro-channel heat sinks have attracted more glances because of the high heat transfer coefficient and low need of cooling fluid. Different algorithms and methods are used for dimensional characteristics optimization of the micro-channels; Contructal theory is one of these methods. In the first parts of the present project, some aspects of constructal theory and also its usage in micro-channels and advanced manmade equipment have been presented. In the second section, optimum geometry of the triangle micro-channels with the side angles of 30, 45 and 60 degree has been determined in such a way that triangle micro-channels configuration would have maximum heat transfer in the unit volume. As optimal dimensions were independent of the array configuration, the numerical simulation was performed on a unit cell. Numerical optimization for Triangular cross-section with different side angles was performed. Based on the results of this investigation, some correlations were proposed to predict the optimal hydraulic diameter and dimensionless heat transfer per unit volume. In addition to examining the effect of pressure drop on these parameters, it was showed that among the different geometries of this study, Triangular cross-section with the side angle of 60 o has the most efficiency for a given volume. In the fourth section, triangle micro-channel heat sinks are geometrically optimized finding the highest heat conduction of channels. The cross-sectional areas of the mentioned micro-channels can change regarding to the degrees of freedom, i.e. the aspect ratio and the solid volume fraction. Actually, the purpose of the geometric optimization is to determine the optimal values of these parameters in such a way that the peak temperature of the wall is minimized. The effects of solid volume fraction and pressure drop upon the aspect ratio, hydraulic diameter and peak temperature of the mentioned micro-channels are investigated. Moreover, these micro-channel heat sinks are compared with each other at their optimal conditions. The optimal shapes of all triangle channels were achieved numerically and compared with the approximate results obtained from scale analysis which good agreements were observed. In the last section, in addition to the external structure, internal structure of the micro-channel was allowed to vary. In fact, the optimum possible geometry of the micro-channel heat sink was acquired numerically considering another degree of freedom of the micro-channel heat sink. It was noteworthy that the effect of variation of coolant fluid thermophysical properties on the characteristics of fluid flow and heat transfer was also considered. Key words: Constructal theory, Triangle micro-channel, Heat sink, Optimization.
پیشرفت های علمی و نیاز روز افزون به طراحی و ساخت قطعات با ابعاد کوچکتر و کارایی بیشتر، در طول چند دهه اخیر یک تغییر جهت عمومی در سطح جهانی در تحقیقات و تکنولوژی و صنعت رابه سمت استفاده از قطعات دارای ابعاد کوچک در حد میکرو و نانو را فراهم آورده است. این قطعات برای استفاده در زمینه های متعدد از جمله الکترونیک و خنک کاری مدارهای به کار رفته در کامپیوتر و سیستم های الکترومکانیکی طراحی و ساخته شده اند. از آن جایی که عملکرد این تجهیزات رابطه مستقیمی با دما دارد، نگه داشتن آن ها در سطح دمای مطمئن بسیار مهم است. روش های گوناگونی برای بهبود فرایند خنک کاری سیستم های الکترونیکی با تولید شار حرارتی بالا و اندازه فشرده پیشنهاد شده است. از میان این روش ها، میکروکانال جاذب حرارت به علت ضریب انتقال حرارت بالا و نیاز به ماده مبرد کم، توجه بیشتری را به خود جلب کرده است. در بهینهسازی ویژگی های هندسی میکروکانال ها از الگوریتم ها و روش های مختلفی استفاده می شود؛ یکی از این روش ها، تئوری ساختاری می باشد. در این پروژه در بخش اول، مختصری از تئوری ساختاری و دیدگاه آن در بهینهسازی سیستم های زیستی و همچنین کاربرد آن در میکروکانال ها و تجهیزات پیشرفت? ساخته شده توسط بشر سخن به میان آمده است. در بخش دوم انداز? بهینه میکرو کانالهای مثلثی با زاویه گوشه 30، 45و 60 درجه به صورت تحلیلی به نحوی تعیین شده است که چیدمان میکروکانال های مثلثی در کنار هم بیشترین انتقال حرارت را در واحد حجم داشته باشد و نتایج تحلیلی با حل عددی مورد مقایسه قرار گرفت. همچنین نتایج نشان داده اند که به ازای یک افت فشار ثابت، میکروکانال با زاویه گوشه 60 درجه در حالت بهینه، بیشترین انتقال حرارت در واحد حجم را دارد. همچنین با کاهش زاویه گوش? سطح مقطع مثلثی انتقال حرارت بدون بعد در واحد حجم نیز کاهش می یابد. در بخش سوم، میکروکانال های جاذب حرارت مثلثی را به صورت هندسی بهینه نموده تا رسانش گرمایی آن به بیشترین مقدار ممکن برسد. سپس میکروکانال های جاذب حرارت ذکر شده در حالت بهینه با هم مقایسه شدند. نتایج نشان داده اند که برای میکروکانالهای مثلثی جزء کسری از جامد وجود داردکه به ازای آن ماکزیمم دما مینیمم خواهد شد. همچنین با توجه به پارامترها و قیود در نظر گرفته شده برای بهینهسازی میکروکانالهای مورد بررسی در این پژوهش، با افزایش زاویه گوشه میکروکانال مثلثی عملکرد آن بهتر می شود. در انتها، اثر درجات آزادی بر هندسه بهینه میکروکانال مثلثی مورد بررسی قرار گرفت به نحوی که با تغییر هندسه داخلی میکروکانال جاذب حرارت دمای ماکزیمم کانال به کمتربن مقدار ممکن برسد. تغییر درجههای آزادی داخلی نیز مانند سایر درجههای آزادی اثر مهمی بر دمای ماکزیمم میکروکانال جاذب حرارت دارد، به طوری که دیده شد دمای ماکزیمم مینیمم شده برای میکروکانال جاذب حرارت بهینه شده با سه درجه آزادی 10% کمتر از دمای ماکزیمم مینیمم شده میکروکانال جاذب حرارت با دو درجه آزادی متغیرمیباشد. کلمات کلیدی: 1-تئوری ساختاری 2-میکروکانال مثلثی3-جاذب حرارت 4-بهینهسازی