پيش بيني انحراف از جوشش هسته اي در يك ميني كانال به كمك ديناميك سيالات محاسباتي

Prediction of departure from nucleate boiling in a mini channel using CFD

ازدياد مقدار انرژي گرمايي توليدي توسط مدارهاي الكترونيكي كه خود همواره روز به روز در حال كوچك شدن در ابعاد و اندازه مي باشند، نياز به خنك سازي هر چه كارآمد تر اين مدارها را ضروري مي سازد. تلاش هاي اخير محققين نشان داده است كه با عبور جريان دوفازي جوششي از ميني كانال ها مي توان به ضرايب انتقال حرارت مطلوب دست پيدا كرد. رخ دادن پديده خشك شدگي و به دنبال آن افزايش ناگهاني دما به واسطه شار گرماي بحراني از چالش هاي پيش رو در اين زمينه مي باشد. در اين پژوهش به كمك ديناميك سيالات محاسباتي، پديده انحراف از جوشش هسته اي در يك ميني كانال مورد بررسي قرار گرفته است. جهت تحليل ميدان جريان از معادلات پيوستگي، مومنتم، انرژي براي هر فاز و از نحوه سهم بندي مدل شار حرارتي اعمالي به ديواره توسط موسسه تحقيقاتي رنسلر در كنار اصلاحات لازم براي شرايط جوشش بحراني استفاده شده است. در كنار صحت سنجي مدلسازي ميدان جريان همراه با جوشش به ويژه در شرايط جوشش فيلمي، مشاهده گرديد كه در صورت اعمال شار حرارتي بحراني در يك ميني كانال، پديده انحراف از جوشش هسته اي رخ داده و لايه اي از بخار در مجاورت ديواره شكل مي گيرد كه در عين حال غالب ميدان جريان، هنوز به صورت مايع مادون سرد است.

In order to meet the increased demand for dissipating high heat fluxes from electronic chips that are continually shrinking in size, development of new cooling technologies has been considered for the last two decades. Recent research efforts have shown that boiling two phase flow through the mini-channels can provide the desired heat transfer coefficients. The occurrence of the dryout phenomenon followed by a sudden increase in temperature due to the critical heat flux is one of the most important challenges in this context. In this study, departure from nucleate boiling phenomenon due to the critical heat flux in a mini-channel has been examined using computational fluid dynamics. The governing equations solved are generalized phase continuity, momentum and energy equations. Wall boiling phenomena are modeled using the baseline mechanistic nucleate boiling model developed by Rensselaer Polytechnic Institute (RPI). To simulate the critical heat flux phenomenon, the RPI model is extended to the departure from nucleate boiling (DNB) by partitioning wall heat flux to both liquid and vapor phases considering the existence of thin liquid wall film. It was observed that by applying high heat fluxes near to CHF, DNB occurred and a vapor layer formed adjacent to the wall while most of the flow field is still subcooled liquid.