Leistungsverbesserung und thermodynamische Bewertung von Mikrokanal-Kühlkörpern mit verschiedenen Arten von Rippen und Kegeln

Nov 12, 2023

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 10802 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Die vorliegende Studie zielt darauf ab, die Leistung von Mikrokanal-Kühlkörpern mittels numerischer Simulationen auf der Grundlage des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zu untersuchen. Die Wärmeübertragungs- und Strömungseigenschaften rechteckiger Mikrokanal-Kühlkörper wurden durch die Zugabe von sechs verschiedenen Arten von Oberflächenverbesserern verbessert. Die Querschnitte umfassen rechteckige, dreieckige und sechseckige Rippen und Kegel. Die Kegel wurden aus den gleichen Rippenquerschnitten hergestellt, indem sie in einem Winkel von 45° orthogonal zur Basis geneigt wurden, was den Druckabfall voraussichtlich drastisch verringern wird. Die Leistung von Rippen und Kegeln wurde anhand verschiedener Parameter wie Reibungsfaktor, Wandschubspannung, Entropieerzeugungsrate, Anzahl der Augmentationsentropieerzeugung, Wärmewiderstand und Transporteffizienz von Wärmeenergie bewertet. Die Ergebnisse der vorliegenden Studie zeigten, dass der neuartige Effekt der Konisierung in einem Winkel von 45° die Reibungsverluste reduziert (der maximale reduzierte Druckabfall beträgt jedoch 85 %); Es wurde ein Kompromiss hinsichtlich des thermischen Verhaltens festgestellt (die maximale Reduzierung der Nusselt-Zahl beträgt 25 %). In ähnlicher Weise hat die Anwendung der Kegelform zu einer erheblichen Reduzierung der Wandschubspannung und des Reibungsfaktors geführt, was zu einer Reduzierung des Pumpleistungsbedarfs führen kann. Darüber hinaus können dreieckige Rippen Wärmeenergie besser übertragen als rechteckige und sechseckige Rippen. Darüber hinaus wurde in der vorliegenden Studie untersucht, dass der Trend der gesamten Entropieerzeugungsrate für dreieckige Rippen bis zu Re = 400 abnimmt und dann weiter zunimmt, was bedeutet, dass thermische Verluste bei niedrigeren Reynolds-Zahlen bedeutender sind als Reibungsverluste. Bei höheren Reynolds-Zahlen überwiegen jedoch die Reibungsverluste gegenüber den Wärmeverlusten, da dort Wirbel erzeugt werden, insbesondere bei dreieckigen Rippen.

Die ständig wachsenden technologischen Fortschritte bei integrierten Schaltkreisen haben zu einem zunehmenden Wärmefluss aufgrund der starken Anhäufung von Schaltkreisen in minimaler Größe geführt1,2,3,4,5. Infolgedessen ist eine Nachfrage nach effizienten Kühltechniken entstanden, die sich von den herkömmlichen Methoden unterscheiden. Die rasante Entwicklung auf dem Gebiet der mikroelektromechanischen Systeme hat Forscher dazu motiviert, neue Mikrokühlungstechniken zu entwickeln. Zahlreiche Techniken wurden bereits zuvor entwickelt, darunter Mikro-Wärmerohre, Mikro-Elektrohydrodynamik und Mikrokanal-Kühlkörper6. Unter diesen Techniken hat sich der Mikrokanal-Kühlkörper (MCHS) als die effizienteste erwiesen. Die Studie wurde erstmals 1981 von Tuckerman und Pease7 durchgeführt und zeigte die Wärmeübertragung in Silizium-Mikrokanal-Kühlkörpern. Die Studie konzentrierte sich hauptsächlich auf die Fähigkeit eines Mikrokanal-Kühlkörpers, Wärme mit einer Rate von 790 W/cm2 abzuleiten. Sie zeigten, dass die größere Fläche im Verhältnis zur Volumenoberfläche des Kühlkörpers den thermischen Wirkungsgrad deutlich erhöht hat. Mikrokanal-Kühlkörper sind die fortschrittlichsten Wärmeaustauschtechnologien, die den einphasigen Flüssigkeitsfluss nutzen. Die Anwendungen von Mikrokanälen für einphasige Flüssigkeitsströme sind die Kühlung elektronischer Geräte, die Luft- und Raumfahrttechnik und Prozessanlagen mit Lasertechnologie8.

Seitdem der Bedarf an einem Mikrokanal-Kühlkörper wächst, wurden zahlreiche experimentelle und numerische Studien durchgeführt, um die Muster des Wärmeflusses in einem glatten rechteckigen Mikrokanal zu untersuchen. Wenn es um die Verbesserung der thermischen Leistung von MCHS geht, gibt es mehrere Einschränkungen, die Einschränkungen mit sich bringen, wie z. B. den Druckabfall durch den Mikrokanal, da dieser zu einem erhöhten Pumpleistungsverbrauch und Leckagerisiken führt. Darüber hinaus sorgt die geringe Größe des Kanals dafür, dass die Strömung im linearen Bereich starr ist, was im Vergleich zur unregelmäßigen Strömung zu einer schlechten Leistung führt. Angesichts der kontinuierlichen Zunahme der geladenen Wärme und des aufmerksamen Bedarfs an Temperaturmessungen elektronischer Teile ist es schwierig, diesen Bedarf mit dem linearen Basiskanal zu decken. Infolgedessen wurde der Schwerpunkt der Studien auf passive Methoden und Techniken verlagert, die zur Verbesserung der Wärmeübertragungsleistung in Mikrokanälen eingesetzt werden können. Steinke und Kandlikar9 schlugen beispielsweise mehrere Techniken vor, die sich für die Verbesserung des Wärmeflusses in Mikrokanälen als nützlich erweisen könnten. Eine der erwähnenswerten Techniken besteht darin, die Mischfunktionen zu integrieren, um den Mischfluss zu verbessern und die Grenzfläche aufzubrechen, um den lokalen Wärmeübertragungskoeffizienten mithilfe einer fragmentierten Konstruktion zu erhöhen.

In Übereinstimmung mit der oben genannten passiven Technik haben viele Forscher solche Strategien übernommen, um die Leistung von Mikrokanal-Kühlkörpern zu verbessern10,11,12,13. Beispielsweise untersuchten Li et al.14 numerisch Grübchen und Stiftrippen mithilfe von Mikrokanal-Kühlkörpern mit Wasserkühlung, Verbesserung der Wärmeübertragung und Verringerung der Widerstandseigenschaften. Darüber hinaus wurde bei dem neuen vorgeschlagenen Design eine Leistungsoptimierung durch die Vergrößerung des Durchmessers festgestellt, was wiederum die Intensität des Nachlaufs der Nadelflossen und die heftige Strömung im Falle von Grübchen erhöht. Sie zeigten, dass die Strömungsablösung im Fall von Grübchen früher auftritt, sodass die Nachlaufströmung in diesem Fall intensiver ist als im Fall der Stiftflossen. In ähnlicher Weise untersuchten Rehman et al.15 numerisch die Wärmeübertragung und das Flüssigkeitsströmungsverhalten von Mikrokanal-Kühlkörpern, indem sie Vorsprünge und Vertiefungen an verschiedenen Wänden des Kanals anbrachten. Sie analysierten verschiedene Designs, Wände und geometrische Konfigurationen dieser Vorsprünge und Vertiefungen, um die Leistung von MCHS zu optimieren. Darüber hinaus variierten sie die Steigung von 400 bis 1200 µm und den Durchmesser der Vorsprünge und Vertiefungen von 200 bis 230 µm in einem laminaren Strömungssystem mit Re = 100–1000. Ihre Ergebnisse zeigten, dass das Hinzufügen von Vorsprüngen an allen Wänden von MCHS (AWP) zu einer besseren Leistung führte als alle anderen Fälle in ihrer Studie. Darüber hinaus stellten sie fest, dass AWP im Vergleich zum glatten Kanal eine Verbesserung der Nusselt-Zahl um 115 % erreicht hat. Darüber hinaus schlugen Li et al.16 einen Hybridkühlkörper bestehend aus Metallschaum (MF) und Stiftrippen (PF) vor, um das Problem der hohen Erwärmung in elektronischen Geräten zu lösen. Darüber hinaus untersuchten sie auch die Auswirkung des thermischen Kontaktwiderstands zwischen MF und PF auf die thermische Leistung des Kühlkörpers mit Metallschaumstiftrippen (MFPFH). Sie untersuchten, dass der gemeinsame Beitrag von Stiftrippen und Metallschaum sowohl das Wärmeübertragungsverhalten durch Konvektion als auch durch Leitung verbessern kann. Darüber hinaus war das Leistungsverhältnis von MFPFH bei der Kombination von Metallschaum und Stiftrippe (MFPFH) 1,6-mal höher als bei herkömmlichem PF; Die Nusselt-Zahl von MFPFH war 36,3 % und 266,6 % höher als die von MF- und PF-Kühlkörpern bei einer Reynolds-Zahl von 1000.

Viele Forscher17,18,19,20,21,22,23 untersuchten die Auswirkung des Kanalquerschnitts auf das thermische und hydraulische Verhalten eines einphasigen MCHS. Im Vergleich zu herkömmlichen Designs wie kreisförmig, dreieckig und quadratisch hat sich ein rechteckiger Kanal als einfaches Design mit einfacher Herstellung und angemessener thermischer und hydraulischer Leistung erwiesen. Auf diese Weise haben viele Forscher in ihren Studien einen rechteckigen Querschnitt des Kanals verwendet, um die Leistung von MCHS zu untersuchen. Beispielsweise untersuchten Li et al.24 das thermodynamische Verhalten von MCHS mit Hohlräumen in Form eines gleichschenkligen Dreiecks. Darüber hinaus kombinierten sie verschiedene Flossen mit diesen Hohlräumen, wie vorwärts gerichtete tropfenförmige Flossen, rückwärts tropfenförmige Flossen, stromlinienförmige Flossen und rechteckige Flossen. Sie bewerteten die Leistung von MCHS auf der Grundlage einer thermodynamischen Analyse, des Feldsynergieprinzips sowie des thermischen und hydraulischen Verhaltens. Ihre Ergebnisse zeigten, dass die vorgeschlagenen Modelle aufgrund der intensiven Erzeugung von Sekundärströmen, der Neuentwicklung der Grenzschicht und einer besseren chaotischen Vermischung im Vergleich zum herkömmlichen rechteckigen Kanal eine bessere Verbesserung der Wärmeübertragung aufwiesen. Darüber hinaus zeigten sie, dass diese Mikrostrukturen eine Hauptstromtrennung verursachen, die zu mehr Reibungsfaktoren und Druckabfällen führt. Daher führten sie eine Gesamtleistung durch, die zeigte, dass die Kombination des gleichschenkligen Hohlraums mit der nach vorne gerichteten tropfenförmigen Rippe den maximalen Wärmeverstärkungsfaktor von 1,617 bei einer Volumenstromrate von 36 ml/min erreichte. Darüber hinaus untersuchten Hsieh et al.25 Mikrokanäle mittels Mikropartikel-Bild-Velocimetrie-Strömungsvisualisierung unter Verwendung eines inkompressiblen Flüssigkeitsstroms. Sie kamen zu dem Schluss, dass der Druckabfall bei Re < 200 ein lineares Verhalten zeigt, der Druckabfall bei Re > 200 jedoch einen nichtlinearen Trend zeigt, während die Visualisierung des vollständig entwickelten Strömungsregimes die körnige Art der Flüssigkeitsströmung in einem Mikrokanal bestätigt.

Rehman et al.26 untersuchten die Auswirkung neuartiger Seitenwandrippen auf die thermische und hydraulische Leistung von MCHS. In ihrer Studie umfassten die Querschnitte neuartiger Rippen Tragflächen-, Trapez-, Ellipsen- und Rechteckrippen, die an Seitenwänden von MCHS installiert wurden. Die Studie wurde auf der Grundlage des thermodynamischen Verhaltens analysiert, einschließlich der Entropieerzeugung und der Transporteffizienz von Wärmeenergie in einem laminaren Strömungssystem mit einer Reynolds-Zahl von 100 bis 1000. Sie kamen zu dem Schluss, dass Tragflügelrippen von allen vier Querschnitten eine bessere Leistung erbrachten und die niedrigste Erzeugung von Augmentationsentropie aufwiesen Nummer. Chai et al.27 untersuchten mithilfe numerischer Simulationen die Auswirkung geometrischer Parameter dreieckiger, wiedereintretender Hohlräume auf die Wasserströmungs- und Wärmeübertragungseigenschaften in Mikrokanal-Kühlkörpern. Ihre Forschung kam zu dem Schluss, dass die konvektive Flüssigkeitsmischung durch Wirbelströme in dreieckigen, wiedereintretenden Hohlräumen, die zu einer ungeordneten Advektion führen, erheblich verstärkt werden kann. Die Verbesserung der Wärmeübertragung im Abschnitt mit konstantem Querschnitt kann durch die wiederholte Entwicklung von Strömungen und die Unterbrechung der thermischen und hydraulischen Grenzschichten erfolgen. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Intensität des Wirbels durch eine entsprechende Verbesserung der Reynolds-Zahl zur Kompensation des Druckabfalls gesteigert werden kann. Darüber hinaus untersuchten Xia et al.28 numerisch die Auswirkung von Strukturparametern fächerförmiger wiedereintretender Hohlräume auf den Druckabfall und den Wärmewiderstand, einschließlich der Längen und Breiten des Bereichs mit konstantem Querschnitt und des bogenförmigen Bereichs. Die fächerförmigen wiedereintretenden Hohlräume verbesserten die Wärmeübertragung, indem sie die Grenzschicht, die Vergrößerung der Oberfläche und den Nachlauf-/Strahleffekt verbesserten. Die Intensität jedes Effekts hängt von der Strömungsgeschwindigkeit und der Anzahl der fächerförmigen, wiedereintretenden Hohlräume ab. Ghani et al.29 schlugen ein neues Design eines Mikrokanals mit rechteckigen Rippen und sinusförmigen Hohlräumen vor und untersuchten numerisch den Flüssigkeitsfluss und die thermischen Eigenschaften mit verschiedenen Reynolds-Zahlen von 100 bis 800. Sie stellten fest, dass das vorgeschlagene Design des Mikrokanals hinsichtlich der Reibung eine gute Leistung erbringt Faktor, Nusselt-Zahl und Leistungsfaktor. Darüber hinaus betrug der in dieser Studie erreichte Leistungsfaktor 1,85 im Vergleich zum glatten Kanal.

Ahmad et al.30 untersuchen das Verhalten von MCHS, indem sie rechteckige, dreieckige und sechseckige Rippen an allen Wänden des Kanals einführen. Sie zeigten, dass diese Rippen eine bessere Wärmeübertragungsleistung aufwiesen, allerdings mit einem Nachteil hoher Druckverluste. In derselben Studie schlugen sie vor, dass der hohe Druckabfall dieser Rippen durch die Anwendung einer neuartigen Konustechnik verringert werden kann. Sie verjüngten die Querschnitte um 450°, sodass sie kegelartige Rippen erhielten. Sie untersuchten, dass es einen enormen Druckabfall gab, der die Wärmeübertragungseigenschaften leicht ausgleichte. In ähnlicher Weise stellten Wang et al.31 Rippen und Rillen im Mikromaßstab an der beheizten Wand von MCHS her und führten eine experimentelle und numerische Studie durch, um die Wirkung von Rippen und Rillen auf die Kühlwirksamkeit zu analysieren. Sie stellten fest, dass die Nusselt-Zahl beim vorgeschlagenen Design im Vergleich zu einem glatten Mikrokanal etwa um das 1,11- bis 1,55-fache verbessert wurde. Allerdings mit dem Nachteil eines hohen Druckabfalls. Darüber hinaus kamen sie zu dem Schluss, dass bei einer relativen Rippenhöhe von 0,85 der Reibungsfaktor von MCHS mit Rippenrillen 4,09-mal höher war als der des glatten Kanals. In ähnlicher Weise wurden von Khan et al. sechs verschiedene Konfigurationen von gerippten Mikrokanälen numerisch auf die Reynolds-Zahl im Bereich von 100–500 untersucht.32 Sie kamen jedoch zu dem Schluss, dass dreieckige Rippen unter den sechs verschiedenen Konfigurationen für den oben genannten Bereich der Reynolds-Zahl einen geringen Wärmewiderstand aufweisen; Rechteckige Rippen verursachen einen hohen Druckabfall. Darüber hinaus untersuchten Zhai et al.33 die Flüssigkeitsströmungsverteilung, die Flüssigkeitstemperatur und die Wärmewiderstände im Mikrokanal und stellten ein empirisches Modell vor. Darüber hinaus beobachteten sie, dass ein gleichmäßig verteilter Flüssigkeitsfluss zu einem gleichmäßig verteilten Wärmefeld an der Bodenfläche des Mikrokanals führt.

Viele Studien konzentrierten sich auf die thermodynamische Analyse basierend auf der Entropieerzeugung34,35,36,37,38 und der Exergieanalyse39,40,41,42. Nach bestem Wissen des Autors wurden jedoch keine Arbeiten durchgeführt, um das thermodynamische Verhalten solcher Typen und die Ausrichtung der Rippen zu untersuchen und ihre Leistung mit ihren entsprechenden konischen Geometrien zu vergleichen. In dieser Studie wurden drei verschiedene Arten von Rippenquerschnitten verwendet, um die thermodynamische Leistung von MCHS zu verbessern, indem diese Rippen auf der Mittellinie jeder Kanalwand installiert wurden. Diese Rippenquerschnitte umfassen dreieckige, rechteckige und sechseckige Geometrie. Darüber hinaus wurden diese drei Querschnitte in einem Winkel von 45° abgeschrägt, um ihnen eine kegelartige Struktur zu verleihen, um ihren Strömungswiderstand zu verringern, was voraussichtlich den Pumpleistungsbedarf reduzieren wird. Die Leistung aller oben genannten Fälle wurde anhand verschiedener Parameter auf der Grundlage des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik bewertet. Zu den Leistungsbewertungsparametern gehören der Reibungsfaktor, die Wandschubspannung, die Entropieerzeugungsrate, die Anzahl der Augmentationsentropieerzeugung, der Wärmewiderstand und die Transporteffizienz der Wärmeenergie.

In der vorliegenden Studie wurde ein Mikrokanal-Kühlkörper modelliert, um sein thermodynamisches Verhalten numerisch zu untersuchen. Darüber hinaus wurde MCHS mit glattem Kanal (MC-SC) mit sechs verschiedenen Arten von Rippen und Kegeln verglichen, um seine hydrothermischen Eigenschaften zu verbessern. Zu den an der vorliegenden Studie beteiligten Rippen und Zapfen gehören rechteckige Rippen (MC-RR), dreieckige Rippen (MC-TR), sechseckige Rippen (MC-HR), rechteckige Zapfen (MC-RC), dreieckige Zapfen (MC-TC). und sechseckige Kegel (MC-HC). Abbildung 1a zeigt den Rechenbereich von MCHS und Abb. 1b zeigt die 3D-Geometrie von MC-SC und MC-RC, die die Abmessungen des Festkörperbereichs (Kupfer) und des Flüssigkeitsbereichs (Wasser) darstellt. In ähnlicher Weise zeigt MC-RC die Ausrichtung rechteckiger Kegel in Strömungsrichtung, die die Ausrichtung anderer Rippen und Kegel vorhersagt. Die detaillierten geometrischen Parameter sind in Tabelle 1 aufgeführt. Darüber hinaus wurde der Einfachheit halber und für weitere Details ein 2D-Querschnitt aller Fälle in Abb. 2 gezeigt, der auch die Abmessungen und Abstände der Rippen/Kegel darstellt. Darüber hinaus sind die thermophysikalischen Eigenschaften aller in der vorliegenden Studie verwendeten Materialien in Tabelle 2 aufgeführt.

(a) Rechenbereich von MCHS (b) 3D-Geometrie von MCHS mit glattem Kanal (MC-SC) und rechteckigen Kegeln (MC-RC).

Vergleich der Schnittgeometrie aller Arten von Rippen und Kegeln in der x-y-Ebene.

Vor der Lösung des mathematischen Modells in der vorliegenden Studie wurden folgende Annahmen getroffen:

Die Strömung wurde als Kontinuum betrachtet, um sicherzustellen, dass kein Schlupf vorliegt.

Eine laminare Strömung mit Re = 100–1000 mit stationärem und inkompressiblem Fluss.

Die thermophysikalischen Eigenschaften wurden sowohl für den festen als auch den flüssigen Bereich als temperaturunabhängig angesehen.

Die Auswirkungen von Schwerkraft und Strahlung wurden ignoriert.

Nach Berücksichtigung der oben genannten Annahmen werden bei der mathematischen Modellierung die folgenden maßgeblichen Gleichungen verwendet:

Kontinuitätsgleichung:

Dabei zeigen u, v und w Geschwindigkeitskomponenten in x-, y- und z-Richtung.

Impulsgleichungen:

X-Momentum

Y-Impuls

Z-Impuls

wobei \({\mu }_{f}\), p und \({\rho }_{f}\) die dynamische Viskosität, den Druck bzw. die Dichte des Flüssigkeitsbereichs darstellen.

Energiegleichungen:

Für Fluid-Domäne:

wobei \({C}_{Pf}\), \({T}_{f}, \mathrm{und} {k}_{f},\) die spezifische Wärme, die Flüssigkeitstemperatur und die Wärmeleitfähigkeit der Flüssigkeit darstellen Domain.

Für Solid-Domäne:

wobei \({T}_{s}\) und \({k}_{s}\) die Temperatur und Wärmeleitfähigkeit der festen Domäne darstellen.

Um die oben genannten Gleichungen zu vereinfachen, werden folgende Randbedingungen berücksichtigt:

Am Austrittsrand des Kanals liegt Umgebungsdruck an. Wo;

Am Eintrittsrand des Kanals herrschen gleichmäßige Geschwindigkeits- und Temperaturverhältnisse. Wo;

An der Bodenwand ist ein konstanter Wärmestrom gegeben. Wo;

Für das thermische und hydrodynamische Verhalten wurde an der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche keine Schlupfbedingung angegeben. Wo;

wobei n die Normale zur Kanalwand darstellt.

An der oberen Oberfläche des Kanals ist eine adiabatische Randbedingung gegeben.

Auf den übrigen Seiten wurden Symmetrie-Randbedingungen angewendet.

Die Reynolds-Zahl (Re) wurde aus der mittleren Geschwindigkeit \({u}_{m}\) wie folgt berechnet:

wobei \({D}_{h}\) den hydraulischen Durchmesser darstellt. Bei nicht kreisförmigen Kanälen kann der hydraulische Durchmesser als Verhältnis von Fläche (A) und benetztem Umfang (P) wie folgt definiert werden:

Für einen rechteckigen Querschnitt kann er in Form der Kanalbreite (Wch) und -höhe (Hch) vereinfacht angegeben werden als:

Die durchschnittliche Euler-Zahl (Eu) wird wie folgt angegeben:

Der durchschnittliche Reibungsfaktor \(f\) kann anhand des Druckabfalls (\(\Delta p\)) entlang der Kanallänge (L) berechnet werden:

Per Definition ist die Wandschubspannung direkt proportional zum Geschwindigkeitsgradienten in der Nähe der Kanalwand in der dazu senkrechten Richtung, dh in der y- und z-Richtung in der vorliegenden Studie.

wobei \({\tau }_{w}\) die Wandschubspannung darstellt, \(\mu\) die dynamische Viskosität ist, uj die Geschwindigkeit normal zur xi-Richtung ist. Wenn die Newtonsche Flüssigkeit unter stationären Bedingungen in einem starren Wandkanal fließt, ist die Strömung vollständig entwickelt, dh die Geschwindigkeit ist in der Mitte maximal und an den Wänden Null43. Diese Art von Strömung wird üblicherweise als Poiseuille-Strömung bezeichnet und die Wandschubspannung für diese Strömung kann wie folgt angegeben werden:

Die durchschnittliche Nusselt-Zahl (Nu) kann aus dem folgenden Wärmeübergangskoeffizienten (h) as31 berechnet werden:

Dabei ist Ab die Fläche der Bodenwand und \(\Delta T\) die durchschnittliche Temperaturdifferenz zwischen Kanalwand und Flüssigkeit.

Der gesamte thermische Widerstand ist die Summe des konvektiven Widerstands (Rconv), des konduktiven Widerstands (Rcond) und des kapazitiven Widerstands (Rcap) als:

wobei Tb die Temperatur der Basiswand darstellt, die wie folgt angegeben werden kann:

Die Irreversibilität tritt aus vielen Hauptgründen auf, von denen die beiden wichtigsten sind; (1) Wärmeübertragung und (2) Reibung oder Druckabfall. Die Irreversibilität der Wärmeübertragung wurde durch die Erzeugungsrate der thermischen Entropie (\({\dot{S}}_{gen,\Delta T}\)) und die der Reibung durch die Erzeugungsrate der Reibungsentropie (\({ \dot{S}}_{gen,\Delta P}\)) in der vorliegenden Studie. Die gesamte Entropieerzeugungsrate kann durch Summieren der thermischen und Reibungsentropieerzeugungsraten berechnet werden, wie von Zhai et al.44 angegeben:

Um die Irreversibilität erweiterter Kanäle mit der eines glatten Kanals zu vergleichen, hat Bejan45 die Augmentation Entropy Generation Number (Ns) definiert, die das Verhältnis der Entropieerzeugung eines beliebigen erweiterten Kanals (\({\dot{S}}_{gen}\) darstellt. )) zu dem des glatten Kanals (\({\dot{S}}_{gen,0}\)).

Es ist bekannt, dass thermische Energie im Vergleich zu elektrischer, chemischer und mechanischer Energie einen relativ geringen Wert hat. Daher wird ein Großteil davon im Transferprozess verschwendet. Daher erscheint es wichtig, seine effektive Nutzung auf der Grundlage des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik zu analysieren, der auch als Exergieanalyse bezeichnet wird. Der in der vorliegenden Studie für die Exergieanalyse verwendete Parameter ist die Transporteffizienz, die erstmals von Liu et al.46 vorgestellt wurde.

wobei Qd den irreversiblen Wärmeverlust darstellt und wie folgt angegeben wird:

Eine dreidimensionale konjugierte Wärmeübertragung wurde mithilfe des verfügbaren CFD-Codes (Computational Fluid Dynamics) von ANSYS (FLUENT) 15.0 gelöst. Die Analyse verwendete ein auf endlichem Volumen basierendes Modell, um die maßgeblichen Gleichungen für Kontinuität, Impuls und Energie zu lösen. Der konvektive Teil der maßgeblichen Gleichungen wurde durch QUICK und der diffusive Teil durch Upwind-Interpolation zweiter Ordnung diskretisiert, was zu einer schnellen Konvergenz des Modells führt. Darüber hinaus wurde der SIMPLE-Algorithmus zur Kopplung von Druck und Geschwindigkeit verwendet.

Die Lösung gilt als konvergiert, wenn die Residuen der Kontinuitäts-, Impuls- und Energiegleichungen kleiner als 10–6 werden, wie unten angegeben:

Dabei sind Nx, Ny und Nz die Anzahl der Gitter entlang der x-, y- und z-Richtung.

Die vorliegende Studie basierte vollständig auf numerischen Simulationen mit Fluent 15.0. Daher wurde darüber nachgedacht, die Abhängigkeit der Maschengröße von den Simulationsergebnissen zu überprüfen. Zu diesem Zweck wurden vier verschiedene Maschenweitenbereiche mit einem Hexaedernetz als Basiseinheit entworfen und analysiert. Die Bereiche der Maschenweite umfassten natürliche Maschen (5,8 × 105–6,8 × 105), mittlere Maschen (6,8 × 105–7,5 × 105), feine Maschen (7,5 × 105–8,5 × 105) und feinste Maschen (8,5 ×). 105–9,5 × 105). Der relative Fehler zwischen dem feinsten Netz und jedem anderen Netz kann mit der folgenden Formel berechnet werden.

Dabei stellt M1 die Ergebnisse für das feinste Netz dar und M2 die Ergebnisse für jedes andere Netz als das feinste. Die Netzunabhängigkeit wurde sowohl für das thermische (Nusselt-Zahl) als auch für das hydraulische (Druckabfall) Verhalten von MCHS überprüft, wie in Abb. 3 dargestellt. Es wurde beobachtet, dass die Ergebnisse näher an das feinste Netz herankamen, wenn die Netzgröße schrittweise erhöht wurde. Darüber hinaus ist ersichtlich, dass der relative Fehler sowohl für die Nusselt-Zahl als auch für den Druckabfall im Bereich feiner Maschen weniger als 1 % betrug. Daher wurde dieser Bereich für die weitere Analyse ausgewählt, um Genauigkeit zu erreichen und Rechenzeit zu sparen.

Analyse der Netzunabhängigkeit.

Um die weitere Genauigkeit der vorliegenden numerischen Simulationen zu überprüfen, wurden die Ergebnisse der vorliegenden Studie mit den verfügbaren experimentellen Ergebnissen von Wang et al.31 validiert. Es wurde festgestellt, dass der relative Unterschied zwischen den vorliegenden numerischen Simulationen und Wang et al.31 sowohl für den Reibungsfaktor als auch für die Nusselt-Zahl viel weniger als 10 % betrug, wie in Abb. 4 dargestellt. Daher kann das vorliegende numerische Modell weiterhin für die Untersuchung verwendet werden des Strömungs- und Wärmeverhaltens von MCHS.

Validierung der vorliegenden numerischen Simulationen.

In der vorliegenden Studie wurden dreidimensionale numerische Simulationen durchgeführt, um die Wirkung von Rippen und Kegeln zu untersuchen, die an der Mittellinie aller Wände von MCHS angebracht sind. Die Studie wurde unter Anwendung eines konstanten Wärmeflusses von 100 W/cm2 unter laminaren Strömungsbedingungen mit einer Reynolds-Zahl von 100 bis 1000 durchgeführt. Die Ergebnisse der Studie wurden unter Berücksichtigung des hydrodynamischen Verhaltens, des thermischen Verhaltens, der Analyse der Entropieerzeugung und der Exergie analysiert Analyse von MCHS. Die Zuverlässigkeit des numerischen Codes wurde durch Netzunabhängigkeitsanalyse und Validierung anhand bereits vorhandener experimenteller Ergebnisse in der Literatur verifiziert.

Das hydrodynamische Verhalten aller Fälle in der vorliegenden Studie wurde durch Vergleich ihres Reibungsfaktors und der Wandschubspannung untersucht.

Die Variation des Reibungsfaktors mit der Reynolds-Zahl ist in Abb. 5 dargestellt, wo Teil (a) den Reibungsfaktor von rechteckigen, dreieckigen und sechseckigen Rippen vergleicht und Teil (b) den Reibungsfaktor entsprechender Kegel vergleicht. Es ist offensichtlich, dass der Reibungsfaktor mit zunehmender Reynolds-Zahl abnimmt, da der Reibungsfaktor aus der Viskosität der Flüssigkeit zwischen den Schichten entsteht und dieser Widerstand in verschiedenen Flüssigkeitsschichten mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt. Vereinfacht ausgedrückt verringert die Erhöhung der Reynolds-Zahl den Effekt der Dissipation der viskosen Unterschicht. Es wurde klargestellt, dass dreieckige Rippen aufgrund ihrer größeren Stirnfläche den höchsten Reibungsfaktor aufweisen. Der weiter vorne liegende Bereich dreieckiger Rippen bietet im Vergleich zu rechteckigen und sechseckigen Rippen einen größeren Strömungswiderstand, was zu einem größeren Druckabfall führt. Darüber hinaus ist der Reibungsfaktor bei sechseckigen Rippen höher als bei rechteckigen Rippen, da bei sechseckigen Rippen mehr Ecken verfügbar sind als bei rechteckigen Rippen. Um diesen enormen Druckabfall zu verringern, wurden die Kanten all dieser Rippen in einem Winkel von 45° abgeschrägt, um ihnen konische Formen zu verleihen, die als Straffungseffekt dienen können. Die Stromlinienform führt zu einer Verringerung der Strömungsblockierung, was im Vergleich zur Rippenstruktur zu einem geringeren Druckabfall führt. Der oben genannte Effekt ist sehr deutlich und wurde in Abb. 5b dargestellt.

Variation des Reibungsfaktors mit der Reynolds-Zahl.

Es ist ein weit verbreitetes Konzept, dass, wenn eine Flüssigkeit in einem stationären Kanal fließt, die Geschwindigkeit der Flüssigkeit an verschiedenen Punkten unterschiedlich ist, was als Geschwindigkeitsgradient bezeichnet wird. Es ist auch klar, dass die Geschwindigkeit in der Mitte maximal und an den Kanalwänden minimal ist. Dieser Geschwindigkeitsgradient entsteht aufgrund von Reibungskräften, die entweder zwischen den Flüssigkeitsschichten oder zwischen der festen Wand und der angrenzenden Flüssigkeitsschicht auftreten. Der erstere Effekt entsteht durch die Viskosität und der letztere durch die Rauheit der Wand. Aufgrund dieser Reibungskräfte wirkt pro Flächeneinheit eine Tangentialkraft, die von den Wänden des Kanals auf die Flüssigkeitsschichten ausgeübt wird und als Wandschubspannung bezeichnet wird.

Abbildung 6 zeigt die Variation der Wandschubspannung mit der Reynolds-Zahl, wobei Teil (a) der Abbildung einen Vergleich der Wandschubspannung für Mikrokanäle mit Rippen an den Wänden liefert. Es ist ersichtlich, dass die Wandschubspannung mit zunehmender Reynolds-Zahl zunimmt, und es wurde festgestellt, dass dreieckige Rippen die maximale Wandschubspannung aufweisen. Allerdings weisen rechteckige Rippen aufgrund ihrer geringeren Stirnfläche, die eine geringere Reibung bietet, eine minimale Wandschubspannung auf als dreieckige und sechseckige Rippen. Darüber hinaus zeigt Abb. 6b den Vergleich der Wandschubspannung für verformte Rippen (Kegel). Der Unterschied ist bei der Wandschubspannung von Rippen und Kegeln sehr deutlich, wobei Kegel im Vergleich zu Rippen eine deutliche Verringerung der Wandschubspannung zeigten. Die Verringerung der Wandschubspannung bei Kegeln ist auf die stromlinienförmige Wirkung der Kegel zurückzuführen, die die Reibung und damit die Scherspannung drastisch reduziert. Bei allen drei Kegeltypen weisen die rechteckigen Kegel die maximale Scherspannung auf, während die sechseckigen Rippen die minimale Scherspannung aufweisen. Darüber hinaus ist die Scherspannung bei glatten Kanälen in allen Fällen am geringsten, was offensichtlich daran liegt, dass glatte Wände im Vergleich zu rauen Kanälen eine geringere Reibung bieten.

Variation der Wandschubspannung mit der Reynolds-Zahl.

Abbildung 7 zeigt die Auswirkung einer Erhöhung der Reynolds-Zahl auf das Wärmeübertragungsverhalten verschiedener MCHS mit und ohne Oberflächenverstärker (Rippen und Kegel) in Form der Nusselt-Zahl (Nu). Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass Nu mit zunehmender Reynolds-Zahl zunimmt, da die Konvektionswärmeübertragung in direktem Zusammenhang mit der Fluidgeschwindigkeit steht. Dies liegt daran, dass die thermische Grenzschicht mit zunehmender Geschwindigkeit der Flüssigkeitspartikel dünner wird, was eine chaotische Vermischung begünstigt, wodurch die Wärmeübertragung zunimmt. Abbildung 7a vergleicht die Nusselt-Anzahl verschiedener Rippentypen, die an allen Wänden von MCHS installiert sind, wobei MC-HR die beste Leistung aufwies, gefolgt von MC-TR und MC-RR. Der Grund für das Erreichen der maximalen Nusselt-Zahl durch MC-HR sind die stromlinienförmigen Oberflächen sowohl an der Vorder- als auch an der Hinterkante der sechseckigen Rippen, die einen besseren Kontakt zwischen festen und flüssigen Grenzen bieten und so zu einer besseren Wärmeübertragungsleistung führen. Der Grund dafür, dass die Nusselt-Zahl von MC-TR kleiner als MC-HR ist, liegt darin, dass an der Hinterkante von TR kein Stromlinieneffekt vorliegt, der dazu führt, dass die Strömung von der Rippenoberfläche abweicht. Diese Strömungsabweichung führt dazu, dass ein besserer Kontakt der Festkörper-Flüssigkeits-Grenzfläche verringert wird und auch statische Flüssigkeitszonen entstehen, was zu einer Verringerung der lokalen Nusselt-Zahl führt und sich somit auf die durchschnittliche Nusselt-Zahl auswirkt. Wenn die Kanten dieser Rippen durch eine konische Wirkung abgeschrägt werden, verringert sich die Nusselt-Zahl, wie in Abb. 7b dargestellt. Diese Verringerung der Nusselt-Zahl ist auf die Verringerung der effektiven Wärmeübertragungsfläche sowie auf die durch die Straffung der Rippenkanten verringerten Strömungsstörungen zurückzuführen. Die thermische Leistung von MC-HR wird im Vergleich zu MC-TR und MC-RR aufgrund der hohen Anzahl an Kanten, deren Oberfläche stark von der Konizität beeinflusst wird, erheblich durch die Konizität beeinflusst.

Variation der Nusselt-Zahl mit der Reynolds-Zahl.

Die Kühlleistung des Kühlkörpers kann durch Vergleich der durchschnittlichen Basiswandtemperatur für verschiedene Arten von Rippen und Kegeln beurteilt werden. Der höhere Tb-Wert bedeutet, dass weniger Wärme vom Kühlkörper zur Flüssigkeit geleitet wird, wohingegen ein niedrigerer Tb-Wert eine bessere Wärmeleitung zur Flüssigkeit bedeutet. Abbildung 8 zeigt den Vergleich der durchschnittlichen Basiswandtemperatur für verschiedene Rippen- und Kegeltypen. Anhand von Abb. 8a wurde untersucht, dass MC-TR bei allen Werten der Reynolds-Zahl eine minimale Basiswandtemperatur aufweist, was bedeutet, dass dreieckige Rippen im Vergleich zu rechteckigen und sechseckigen Rippen die Fähigkeit haben, Wärme leichter zu leiten. Wenn die Rippen in Kegel umgewandelt werden, wird ihre thermische Leistung beeinträchtigt, wie in Abb. 8b dargestellt. Es ist offensichtlich, dass die Basiswandtemperatur bei allen Kegeltypen höher ist als bei allen Rippentypen, was bedeutet, dass die Wärmeleistung der Rippen besser ist als die der Kegel. Dies liegt daran, dass durch die Kegelwirkung die Wärmeübertragungsfläche bei Kegeln verringert wurde, wodurch sich ihre Nusselt-Zahl verringerte und somit die Kühlung minimiert wurde.

Variation der durchschnittlichen Basistemperatur des Kühlkörpers mit der Reynolds-Zahl.

Die Analyse des thermischen Widerstands spielt eine entscheidende Rolle beim Vergleich der thermodynamischen Leistung von Systemen. Je höher der Wärmewiderstand ist, desto geringer ist die Fähigkeit des Systems, Wärme bei einem bestimmten Temperaturunterschied zu übertragen, und umgekehrt. Der Vergleich des Wärmewiderstands für alle Arten von Rippen und Kegeln ist in Abb. 9 dargestellt. Es wurde deutlich gezeigt, dass der Wärmewiderstand mit zunehmender Reynolds-Zahl abnimmt, da die Wärmeübertragungsrate mit zunehmender Flüssigkeitsgeschwindigkeit bei einer bestimmten Temperatur zunimmt Unterschied. Darüber hinaus ist der Wärmewiderstand von MC-RR deutlich höher als der von MC-TR und MC-HR, wie in Abb. 9a dargestellt. Es zeigt, dass rechteckige Rippen im Vergleich zu anderen Rippen in der vorliegenden Studie bei einem gegebenen Temperaturunterschied die geringste Fähigkeit zur Übertragung von Wärmeenergie haben. Darüber hinaus geht aus der vorliegenden Studie auch klar hervor, dass die Konuswirkung zu Lasten der Wärmeübertragungsleistung ging, wodurch der Wärmewiderstand der Konus erhöht wurde, wie in Abb. 9b dargestellt. Der thermische Widerstand von MC-SC ist in allen Fällen maximal, was das Potenzial für eine Verbesserung seiner Leistung zeigt, und dies wurde eindeutig durch das Hinzufügen von Rippen und Kegeln erreicht.

Variation des thermischen Widerstands mit der Reynolds-Zahl.

Wenn Flüssigkeit in einem Kanal fließt, kommt es aufgrund der Reibung immer zu gewissen Verlusten in Form eines Druckabfalls. Reibung ist ein irreversibler Prozess, bei dem nützliche mechanische Arbeit in ungenutzte Wärmeenergie umgewandelt wird. Solche Reibungsverluste können in Form der Reibungsentropie-Erzeugungsrate dargestellt werden, die durch \({\dot{S}}_{\Delta p}\) dargestellt wird, wie in Abb. 10 dargestellt. Aus der Abbildung geht hervor, dass Die Erzeugungsrate der Reibungsentropie nimmt mit zunehmender Reynolds-Zahl zu, da Reibungsverluste in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit der Flüssigkeit stehen. Darüber hinaus geht aus Abb. 10a auch klar hervor, dass dreieckige Rippen die maximale Reibungsentropie-Erzeugungsrate aufweisen, da sie einen höheren Reibungsfaktor aufweisen, wie aus Abb. 5 hervorgeht. Darüber hinaus wurde untersucht, dass das Trendwachstum nicht linear, sondern eher ist scheint exponentiell zu sein und der Trend von MC-TR nimmt schneller zu als MC-RR und MC-HR. Diese Tatsache kann auf die Entstehung von Wirbeln an der Hinterkante dreieckiger Rippen bei höherer Reynolds-Zahl zurückgeführt werden, die einen plötzlichen Druckabfall verursachen. In ähnlicher Weise ist in Abb. 10b die Reibungsentropieerzeugungsrate von Kegeln und glattem Kanal angegeben. MC-TR verzeichnete die höchste Reibungsentropieerzeugungsrate, gefolgt von MC-RR, MC-HR und MC-SC.

Variation der Reibungsentropieerzeugungsrate mit der Reynolds-Zahl.

Für ein thermisches System, in dem Wärme zugeführt oder von ihm abgeleitet werden muss, ist eine Antriebskraft erforderlich, um diese Wärme in eine bestimmte Richtung fließen zu lassen. Diese treibende Kraft ist der Temperaturunterschied und es ist offensichtlich, dass die Wärmeübertragung immer in Richtung des negativen Temperaturgradienten erfolgt. Da die Temperaturdifferenz für die Wärmeübertragung zwingend erforderlich ist und die Wärmeübertragungsrate mit zunehmender Temperaturdifferenz zunimmt. Der höhere Temperaturgradient führt jedoch dazu, dass der Prozess aufgrund plötzlicher Temperaturänderungen irreversibler ist. Folglich führt der höhere Temperaturunterschied gemäß dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik zu einer stärkeren Entropieerzeugung. Die durch die Wärmeübertragung verursachte Irreversibilität kann in Form der Erzeugungsrate der thermischen Entropie \({\dot{S}}_{\Delta T}\) dargestellt werden, wie in Abb. 11 dargestellt. Aus der Abbildung geht klar hervor, dass die thermische Entropie Die Erzeugungsrate nimmt mit zunehmender Reynolds-Zahl ab, da der Temperaturunterschied zwischen Kanalwand und Fluid mit zunehmender Fluidgeschwindigkeit abnimmt. Aufgrund des schnellen Anstiegs des Wärmeübergangskoeffizienten erhöht sich jedoch die Wärmeübertragungsrate. Abbildung 11a vergleicht die Erzeugungsrate der thermischen Entropie für verschiedene Rippentypen. Dies zeigt, dass dreieckige Rippen im Vergleich zu rechteckigen und sechseckigen Rippen die geringsten Wärmeverluste aufweisen. Darüber hinaus vergleicht Abb. 11b die Erzeugungsrate der thermischen Entropie für verschiedene Kegeltypen. Es wurde untersucht, dass die Wärmeverluste von Kegeln aufgrund der Verringerung des Wärmeübertragungskoeffizienten und der Erhöhung der Temperaturdifferenz zwischen festen und flüssigen Bereichen höher sind als die von Rippen. Allerdings ist die Erzeugungsrate der thermischen Entropie ähnlich wie bei dreieckigen Rippen im Vergleich zu anderen Kegeln und glatten Kanälen minimal. Aus Abb. 11 geht auch klar hervor, dass MC-SC maximale Wärmeverluste aufweist und daher die Notwendigkeit von Rippen und Kegeln zeigt, um die Wärmeverluste zu reduzieren.

Variation der thermischen Entropieerzeugungsrate mit der Reynolds-Zahl.

Mit zunehmender Reynolds-Zahl nimmt die Erzeugungsrate der Reibungsentropie zu, während die Erzeugungsrate der thermischen Entropie abnimmt. Darüber hinaus werden die Reibungsverluste durch die Konizität verringert, wohingegen die Wärmeverluste steigen, da durch die Konizität sowohl der Druckabfall als auch der Wärmeübertragungskoeffizient sinken. Daher muss für den Vergleich verschiedener in der vorliegenden Studie berücksichtigter Fälle die Gesamtentropieerzeugungsrate berechnet werden. Abbildung 12 zeigt den Vergleich der gesamten Entropieerzeugungsrate für verschiedene Arten von Rippen und Kegeln. Aus Abb. 12a und b ist deutlich zu erkennen, dass bei allen Rippentypen die Entropieerzeugung geringer ist als bei allen Kegeltypen und glatten Kanälen. Darüber hinaus kann aus Abb. 12a ein weiteres interessantes Ergebnis erzielt werden, dass der Trend von MC-TR bis zu Re = 400 abnimmt und dann weiter zunimmt. Dies bedeutet, dass bei niedrigeren Reynolds-Zahlen die Wärmeverluste bedeutender sind als die Reibungsverluste. Bei höheren Reynolds-Zahlen, bei denen es insbesondere bei MC-TR zur Wirbelbildung kommt, überwiegen jedoch die Reibungsverluste gegenüber den Wärmeverlusten. Darüber hinaus wurde untersucht, dass die Reibungsverluste bei Kegeln deutlich geringer sind als die Wärmeverluste, sodass die Wärmeverluste bei solchen Systemen eine größere Rolle spielen. Abschließend kann für zukünftige Entwürfe empfohlen werden, sich stärker auf Wärmeverluste in solchen Systemen zu konzentrieren, in denen keine Wirbelerzeugung oder lokale Turbulenzen stattfinden können. Um jedoch die gesamte Entropieerzeugung in thermodynamischen Systemen zu minimieren, in denen chaotische Mischung, Turbulenz und Wirbelerzeugung bei höheren Reynolds-Zahlen stattfinden, sollte eine kritische Analyse sowohl der Reibungs- als auch der Wärmeverluste erfolgen.

Variation der gesamten Entropieerzeugungsrate mit der Reynolds-Zahl.

Um die Gesamtentropieerzeugungsrate des erweiterten Kanals mit der des glatten Kanals zu vergleichen, kann das Konzept der Augmentationsentropieerzeugungszahl (Ns) verwendet werden. Die Zahl der Augmentationsentropieerzeugung ist das Verhältnis der Entropieerzeugung eines beliebigen Kanals zur Entropieerzeugung eines glatten Kanals. Damit ein erweiterter Kanal thermodynamisch besser ist als sein referenzierter glatter Kanal, muss seine Augmentationsentropie-Erzeugungszahl kleiner als eins sein. Je kleiner der Wert von Ns für einen Kanal ist, desto besser ist dieser Kanal als der glatte Kanal. Abbildung 13 zeigt den Vergleich der Anzahl der Augmentationsentropieerzeugung für verschiedene Arten von Rippen und Zapfen. In Abb. 13 ist deutlich zu sehen, dass die Zahl der Augmentationsentropieerzeugung mit zunehmender Reynolds-Zahl zunimmt, da die Entropieerzeugung von MC-SC schneller abnimmt als bei allen anderen Kanälen. Dies bedeutet, dass die Verluste verbesserter Kanäle bei höherer Reynolds-Zahl stärker hervortreten. Darüber hinaus ist die Augmentationsentropieerzeugungszahl von MC-TR in allen Fällen bei Re < 700 minimal und nach Re > 700 weist MC-HR den niedrigsten Wert von Ns auf. Dies liegt daran, dass die Gesamtentropieerzeugungsrate für MC-TR bis zu Re = 400 abnimmt, dann nach Re = 400 zunimmt und schließlich bei Re = 700 höher wird als MC-HR, wie in Abb. 12a dargestellt. Aus Abb. 13a und b ist auch ersichtlich, dass die Anzahl der Rippen zur Erzeugung der Augmentationsentropie geringer ist als die der Kegel, was auch aus Abb. 12 deutlich wird. Darüber hinaus ist aus Abb. 13b ersichtlich, dass MC-HC die höchste Erzeugung der Augmentationsentropie aufweist Nummer.

Variation der Augmentationsentropie-Erzeugungszahl mit der Reynolds-Zahl.

Da der Wärmewiderstand des Kanals auf dem Nettotemperaturgradienten beruht, kommt es zu einem gewissen Wärmeverlust, der als irreversibler Wärmeverlust (Qd) bezeichnet wird. Abbildung 14 zeigt die Variation des irreversiblen Wärmeverlusts für verschiedene Arten von Rippen und Kegeln als Funktion der Reynolds-Zahl. Es ist offensichtlich, dass der irreversible Wärmeverlust mit zunehmender Reynolds-Zahl aufgrund der Abnahme des Nettotemperaturgradienten abnimmt. Es ist auch klar, dass MC-TR den minimalen irreversiblen Wärmeverlust aufweist, da es den niedrigsten Wärmewiderstand und die niedrigste Basiswandtemperatur aufweist, wie in den Abbildungen dargestellt. 8 und 9. Darüber hinaus tritt bei MC-SC der größte irreversible Wärmeverlust aufgrund des schlechtesten Wärmeübertragungsverhaltens auf, was auch die Notwendigkeit einer Verbesserung des Kanals zeigt. Darüber hinaus ist aus Abb. 14 ersichtlich, dass die Kegelwirkung aufgrund des erhöhten Wärmewiderstands und der Entropieerzeugung zu einem Anstieg des irreversiblen Wärmeverlusts führt.

Variation des irreversiblen Wärmeverlusts mit der Reynolds-Zahl.

Um das Ergebnis des irreversiblen Wärmeverlusts zu nutzen, kann die Transporteffizienz der Wärmeenergie (ƞt) definiert werden, die als Exergie (verfügbare Energie) des Wärmesystems betrachtet werden kann. Es ist offensichtlich, dass die Transporteffizienz einen umgekehrten Zusammenhang mit dem irreversiblen Wärmeverlust hat, wie aus den Abbildungen ersichtlich ist. 14 und 15. Die Auswirkung einer Erhöhung der Reynolds-Zahl auf die Variation der Transporteffizienz thermischer Energie ist in Abb. 15 dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass die Transporteffizienz thermischer Energie mit zunehmender Reynolds-Zahl zunimmt, was auf die Verringerung von zurückzuführen ist Nettotemperaturgradient bei höheren Flüssigkeitsgeschwindigkeiten. Aufgrund dieser Verringerung des Nettotemperaturgradienten nimmt die Irreversibilität ab, was zu einer besseren Nutzung der Wärmeenergie beim Abtransport von Wärme aus dem System führt, was das ultimative Ziel dieser Studie ist. Aus Abb. 15 lässt sich jedoch ein interessantes Ergebnis beobachten, dass die Steigung des Diagramms mit zunehmender Reynolds-Zahl abnimmt und bei Re = 1000 nahezu Null wird, was zeigt, dass eine weitere Erhöhung der Reynolds-Zahl nicht zur Verbesserung der thermischen Leistung von MCHS beiträgt. Aus Abb. 15a und b ist außerdem ersichtlich, dass Rippen einen besseren Wärmeenergietransport zeigten als Zapfen. Darüber hinaus wurde untersucht, dass MC-TR die maximale Transporteffizienz aufweist, die bei 96,3 % bei höherer Reynolds-Zahl liegt.

Variation der Transporteffizienz mit der Reynolds-Zahl.

In der vorliegenden Studie wurden dreidimensionale numerische Simulationen durchgeführt, um die Auswirkung von Rippen auf das thermodynamische Verhalten von MCHS in einer laminaren Strömung mit einer Reynolds-Zahl zwischen 100 und 1000 zu untersuchen. Darüber hinaus wurden die Rippen in einem Winkel von 45° geneigt, um ihre Strömungsgeschwindigkeit zu verringern Drage zur Verbesserung der hydrodynamischen Leistung von MCHS. Es wird erwartet, dass die Ergebnisse dieser Studie einen Leitfaden für zukünftige Empfehlungen zum MCHS-Design auf der Grundlage des ersten und zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik liefern. Einige der wichtigsten Schlussfolgerungen, die aus der vorliegenden Studie gezogen wurden, können wie folgt dargestellt werden:

Die Anwendung des neuartigen Konuseffekts in einem Winkel von 450 führte jedoch zu einer Reduzierung der Reibungsverluste durch Straffung der Rippen, um den Blockiereffekt zu verringern; Es wurde ein Kompromiss hinsichtlich des thermischen Verhaltens gezeigt. Darüber hinaus hat die Anwendung der Kegelform zu einer erheblichen Verringerung der Wandschubspannung und des Reibungsfaktors geführt, was zu einer Verringerung des Pumpleistungsbedarfs von MCHS führen kann. Aufgrund der Verringerung des Reibungsfaktors und der Wandschubspannung, die durch die Verjüngung der Rippen verursacht wird, kommt es in ähnlicher Weise zu einer erheblichen Verringerung der Reibungsentropieerzeugungsrate.

Der Vergleich der Nusselt-Zahl für verschiedene Arten von Rippen und Kegeln zeigte, dass MC-HR aufgrund der stromlinienförmigen Oberflächen sowohl an der Vorder- als auch an der Hinterkante der sechseckigen Rippen die beste Leistung erzielt hat, was einen besseren Kontakt zwischen festen und flüssigen Grenzen ermöglicht und so zu einem bessere Wärmeübertragungsleistung. Es wurde untersucht, dass die Nusselt-Zahl von MC-TR kleiner als MC-HR ist, da an der Hinterkante von TR kein Stromlinieneffekt vorliegt, der zu einer Strömungsumlenkung führt und somit einen besseren Kontakt der Fest-Flüssigkeits-Grenzfläche verringert. Wenn die Kanten dieser Rippen durch eine konische Wirkung abgeschrägt werden, verringert sich die Nusselt-Zahl aufgrund der Verringerung der effektiven Wärmeübertragungsfläche und der Strömungsstörung, die durch die Straffung der Rippenkanten verringert wird.

In der vorliegenden Studie wurde untersucht, dass MC-TR bei allen Werten der Reynolds-Zahl eine minimale Basiswandtemperatur aufweist, was bedeutet, dass dreieckige Rippen im Vergleich zu rechteckigen und sechseckigen Rippen die Fähigkeit haben, Wärme leichter zu leiten.

Es wurde beobachtet, dass die Erzeugungsrate der Reibungsentropie mit zunehmender Reynolds-Zahl zunimmt, da Reibungsverluste in direktem Zusammenhang mit der Geschwindigkeit der Flüssigkeit stehen. Darüber hinaus wurde untersucht, dass das Trendwachstum nicht linear ist, sondern eher exponentiell zu sein scheint und der Trend von MC-TR schneller zunimmt als MC-RR und MC-HR. Diese Tatsache kann auf die Entstehung von Wirbeln an der Hinterkante dreieckiger Rippen bei höherer Reynolds-Zahl zurückgeführt werden, die einen plötzlichen Druckabfall verursachen.

Mit zunehmender Reynolds-Zahl nimmt die Erzeugungsrate der Reibungsentropie zu, während die Erzeugungsrate der thermischen Entropie abnimmt. Darüber hinaus werden durch die Konizität die Reibungsverluste verringert, während die Wärmeverluste steigen. Daher muss die gesamte Entropieerzeugungsrate berechnet werden, um die Wirkung beider zu kombinieren. In der vorliegenden Studie wurde untersucht, dass der Trend der gesamten Entropieerzeugungsrate für MC-TR bis zu Re = 400 abnimmt und dann weiter zunimmt, was bedeutet, dass thermische Verluste bei niedrigeren Reynolds-Zahlen bedeutender sind als Reibungsverluste. Allerdings dominieren Reibungsverluste gegenüber thermischen Verlusten bei höheren Reynolds-Zahlen, wo Wirbelbildung stattfindet, insbesondere bei MC-TR. Darüber hinaus wurde untersucht, dass die Reibungsverluste bei Kegeln deutlich geringer sind als die Wärmeverluste, sodass die Wärmeverluste bei solchen Systemen eine größere Rolle spielen.

Abschließend kann für zukünftige Entwürfe empfohlen werden, sich stärker auf Wärmeverluste in solchen Systemen zu konzentrieren, in denen keine Wirbelerzeugung oder lokale Turbulenzen stattfinden. Es sollte jedoch eine kritische Analyse sowohl der Reibungs- als auch der Wärmeverluste erfolgen, um die gesamte Entropieerzeugung in thermodynamischen Systemen zu bewerten, in denen chaotische Mischung, Turbulenz und Wirbelerzeugung stattfinden.

Alle Daten finden Sie in diesem Dokument. In diesem Dokument werden keine ergänzenden Daten verwendet.

Gesamtlänge des Kanals, m

Fläche, m2

Höhe, m

Hydraulischer Durchmesser des Kanals, m

Breite, m

Spezifische Wärme, J kg-1 K-1

Wärmestrom, Wm-2

Wärmeleitfähigkeit, W m-1 K-1

Massendurchfluss, kg/s

Wärmeübergangskoeffizient, W m-2 K-1

Geschwindigkeitskomponenten in x-, y- und z-Richtung, ms−1

Mittlere Geschwindigkeit

Temperaturgradient, K

Druckgradient, Pa

Reynolds Nummer

Poiseuille-Zahl

Prandtl-Nummer

Fehler

Nusselt-Zahl des glatten Kanals

Nusselt-Nummer des erweiterten Kanals

Reibungsfaktor des glatten Kanals

Reibungsfaktor des erweiterten Kanals

Irreversibler Wärmeverlust, W

Entropieerzeugung durch Wärmeübertragung, W/K

Entropieerzeugung durch Reibung, W/K

Volumetrische Entropieerzeugung, W/m3 K

Gesamte Entropieerzeugung, W/K

Nummer der Augmentationsentropieerzeugung

Druckdifferenz, Pa

Temperaturunterschied, K

Wärmewiderstand, K/W

Mikrokanal-Kühlkörper

Mikrokanal mit dreieckigen Rippen

Mikrokanal mit sechseckigen Rippen

Mikrokanal mit rechteckigen Rippen

Mikrokanal mit dreieckigen Kegeln

Mikrokanal mit sechseckigen Kegeln

Mikrokanal mit rechteckigen Kegeln

Seitenverhältnis des Kanals

Dichte, kg m-3

Dynamische Viskosität, Pa s

Transporteffizienz

Wärmeverstärkungsfaktor

Fest (außer in Ns)

Flüssigkeit

Wand

Kanal

Einlass

Auslauf

Gesamt

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Die Autoren bedanken sich für die Unterstützung der Air University, Aerospace and Aviation Campus, Kamra, für die Bereitstellung aller notwendigen Voraussetzungen zur Vervollständigung dieser Forschung.

Schlüssellabor für Palygorskit-Wissenschaft und angewandte Technologie der Provinz Jiangsu, Nationales und lokales gemeinsames technisches Forschungszentrum für die Tiefennutzung von Mineralsalzen, Huaiyin Institute of Technology, Huai'an, 223003, China

Shizhong Zhang & Nisar Ali

Fakultät für Maschinenbau, Air University Islamabad, Campus für Luft- und Raumfahrt und Luftfahrt, Kamra, 43570, Pakistan

Faraz Ahmad

Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, Oklahoma State University, Stillwater, USA

Amjid Khan

Maschinenbau, Fakultät für Ingenieurwesen und Technologie, Future University in Egypt, New Cairo, 11835, Ägypten

Mohamed Badran

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Konzeptualisierung, SZ und FA; Untersuchung, SZ, FA und MB; Methodik, FA und NA; Projektverwaltung, AK; Ressourcen, NA und MB; Software, AK und FA; Aufsicht, SZ und FA; Validierung, FA und AK; Schreiben – Originalentwurf, FA und AK; Schreiben – Rezension und Bearbeitung, MB und NA

Korrespondenz mit Shizhong Zhang, Faraz Ahmad oder Mohamed Badran.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Zhang, S., Ahmad, F., Khan, A. et al. Leistungsverbesserung und thermodynamische Bewertung eines Mikrokanal-Kühlkörpers mit verschiedenen Arten von Rippen und Kegeln. Sci Rep 12, 10802 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14428-y

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Eingegangen: 20. April 2022

Angenommen: 07. Juni 2022

Veröffentlicht: 24. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14428-y

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