مدلسازي عملكرد حرارتي سيال در تبخيركننده با ميكروساختارهاي كروي و ميكروستون مخروطي

Thermal Performance Modeling of Liquid in Evaporator with Spherical Microstructures and Conical Micropillars

عملكرد حرارتي تجهيزات خنك كاري دوفاز غيرفعال مانند لوله هاي حرارتي و محفظه هاي بخار، به طور عمده وابسته به هندسه و خواص ميكروساختار تبخيركننده و فتيله است. ويژگي هاي مطلوب ساختار تبخيركننده شامل فشار مويينگي بالا با وجود مقاومت كم در برابر جريان به همراه سطح گسترده براي افزايش تبخير لايه نازك سيال است كه انتخاب مقياس و تخلخل ساختار بر اساس مصالحه بين ويژگي هاي موردنظر فوق است. در مطالعه حاضر، شكل سطح آزاد سيال ساكن در ميكروستونهاي مخروطي و ميكروساختارهاي كروي توسط الگوريتم گراديان كاهشي با نرم افزار Surface Evolver مدل ‌شده است و فشار مويينگي بي بعد بر اساس انحناي سطح تعيين گرديده است. نفوذپذيري و ضريب انتقال حرارت با استفاده از نرم افزار فلوئنت به صورت تابعي از پارامتر هندسي بي بعد و زاويه تماس بين مايع و جامد، پيش بيني شده است. نتايج نشان داد ميكروستون مخروطي با توجه به سطح تماس گرمايي زياد با زيرلايه، كاهش سطح مقطع در ارتفاع و افزايش نفوذپذيري، افزايش فيلم نازك به دليل كشش مايع بر روي سطح مايل، عملكرد مطلوبي در فرآيند تبخير نسبت به ميكروساختار كروي نشان داد. همچنين زاويه تماس بهينه و پارامتر هندسي بي بعد كه بهترين عملكرد ساختار در انتقال حرارت را نشان دادند، ارائه گرديده است.

The heat transfer performance of passive two-phase cooling devices such as heat pipes and vapor chambers is mainly depend on the topology and geometry of wick and evaporator microstructures. The desired characteristics of evaporator microstructures are high permeability, high wicking capability and large extended meniscus area that sustains thin-film evaporation which choices of scale and porosity lead to trade-offs between the desired characteristics. In the present study, the free-surface shapes of the static liquid meniscus in spherical microstructures and conical micropillar were modeled using gradient decent algorithm of Surface Evolver software and the non-dimensional capillary pressure was determined based on curvature of surface. Permeability and heat transfer coefficient were computed using Fluent software as functions of the nondimensional geometrical parameter and the contact angle between the liquid and solid. Based on these performance parameters, due to high heat contact surface, decrease of cross section, increase of permeability and increase of thin film liquid due to extention of liquid on inclined surface, conical microstructures provide more efficient and desirable geometry for wicking and thin-film evaporation. The solid-liquid contact angle and geometrical parameter that yield the best performance were also identified.