مطالعه عددي جريان و انتقال حرارت اسلاري حاوي نانوكپسول‌هاي مواد تغيير فاز‌دهنده درون ميكروكانال با حفره‌هاي سينوسي و دندانه‌هاي مستطيلي

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

در مطالعه‌ي عددي حاضر، عملكرد حرارتي-هيدروديناميكي اسلاري حاوي نانو كپسول‌هاي مواد تغييرفاز دهنده به‌عنوان سيال عامل در يك جاذب حرارتي ميكروكانالي مورد بررسي قرار گرفته‌است. به اين منظور، يك جاذب گرمايي با حفره‌هاي سينوسي شكل و دندانه‌هاي مستطيلي موجود در ميانه‌ي كانال به عنوان هندسه‌ي مورد بررسي انتخاب و جريان آرام و پاياي مخلوط همگن حامل نانوذرات تغييرفاز دهنده در اين هندسه‌ي پيچيده مطالعه شده است. براي مدلسازي جريان مخلوط از يك مدل تكفاز همگن استفاده گرديد و معادلات حاكم بر جريان و انتقال حرارت با كمك روش حجم محدود گسسته سازي شدند. از نرم افزار انسيس فلوئنت براي حل معادلات حاكم و شبيه‌سازي جريان استفاده شده‌است. براي سنجش عملكرد حرارتي-هيدروديناميكي مخلوط‌هاي مورد مطالعه از عدد ناسلت، ضريب اصطكاك و ضريب عملكرد استفاده گرديد و شبيه‌سازي‌ها براي محدوده‌ي اعداد رينولدز 200 تا 1000 و غلظت حجمي 0 تا 30% براي نانوذرات انجام شدند. با توجه به ويژگي گرماي نهان بالاي مواد تغيير فاز دهنده، به‌كارگيري آن‌ها در سيال پايه منجر به ارتقاي ظرفيت گرمايي سيال كاري مي‌شود و اين امر مي‌تواند به بهبود عملكرد حرارتي جاذب گرمايي براي خنك كاري قطعات الكترونيكي ريز مقياس منجر شود. نتايج حاصل نشان داد كه افزودن نانو كپسول‌هاي مواد تغييرفازدهنده به يك سيال پايه‌ي متداول مانند آب مي‌تواند عملكرد حرارتي-هيدروديناميكي آن را به‌ويژه در اعداد رينولدز پايين تقويت كند. در مطالعه‌ي حاضر افزايش 6 تا 48 درصدي عدد ناسلت براي مخلوط حاوي مواد تغييرفازدهنده گزارش شده‌است.

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.