1 Numeryczne modelowanie przepływów laminarnych w mikrokanałachInstitut National Polytechnique de Grenoble Department of Fluid and Mechanical Engineering Laboratory of LEGI Technical University of Czestochowa Institute of Thermal Machinery Numeryczne modelowanie przepływów laminarnych w mikrokanałach Mgr inż. Mariusz Niklas Prof. Michel Favre-Marinet

2 Zastosowanie – przede wszystkim do chłodzenia układów elektronicznychMikrokanały Zastosowanie – przede wszystkim do chłodzenia układów elektronicznych Zalety: - dużo większy współczynnik wymiany ciepła w porównaniu z układami konwencjonalnymi możliwość budowy układów chłodzenia zintegrowanych z układami elektronicznymi Wady: - zmniejszanie średnicy hydraulicznej powoduje zwiększenie oporów przepływu oraz możliwość wystąpienia efektu skali

3 Geometria modelu eksperymentalnego

4 Liczba Poiseuille Współczynnik tarcia Cf Naprężenia styczne:Spadek ciśnienia:

5 Wyniki eksperymentu

6 Ustawienia Czynnik: woda Opcje przepływu: - przepływ laminarny- ustalony - izotermiczny - nieściśliwy

7 Przepływ przez pojedynczy kanał Geometria pojedynczego kanałua = 215 m h = 150 m L = 15 mm Dh=110m Obliczenia przeprowadzone zostały w trzech krokach: Pierwszy – dla przepływu w pełni rozwiniętego Drugi – dla przepływu z efektem wejściowym Trzeci – dla przepływu ze stratami lokalnymi

8 Przepływ w pełni rozwinięty dla pojedynczego kanału.Calculations Literature h/a ratio = 0.68 h/a ratio = 0.714 Po = 13.3 Po =

9 Pole prędkości dla przepływu z uwzględnieniem efektu wejściowego.

10 Wyniki obliczeń dla przepływu z uwzględnieniem efektu wejściowego.

11 Model i obliczenia dla przepływu z uwzględnieniem strat w obszarze wlotu.

12 Wyniki obliczeń dla przepływu z uwzględnieniem strat lokalnych w obrębie wlotu do mikrokanału.

13 Przepływ przez system kanałówDwa modele systemu kanałów zostały zbadane: Model uproszczony. Model ten składa się z 27 mikrokanałów połączonych poprzez kanał dystrybucyjny i kanał kolektorowy. Model odzwierciedlający układ rzeczywisty.

14 Uproszczony model systemu kanałówTriangular microchannels Hydraulic diameter Dh=110m Length of the microchannel L=18,4mm Distribution channel Collector channel High of channel hdc=188m Width of channel adc=800m Length of channel on one section Ldc=364m

15 Wyniki obliczeń dla przepływu przez uproszczony model układu.

16 Ciśnienie w kanale dystrybucyjnym i w kanale kolektorowym.

17 Kontury składowej prędkości w kierunku osi Z w kanale dystrybucyjnymKontury składowej prędkości w kierunku osi Z w kanale dystrybucyjnym. Re=190

18 Kontury składowej prędkości w kierunku osi Z w kanale kolektorowymKontury składowej prędkości w kierunku osi Z w kanale kolektorowym. Re=190

19 Rzeczywisty model systemu kanałówTriangular microchannels Hydraulic diameter Dh=110m Length of the microchannel L=18,4mm Distribution channel Collector channel High of channel hdc=188m Width of channel adc=800m Length of channel on one section Ldc=364m Mine inlet and outlet channel adc=835m Length of channel Ldc=1,5mm

20 Wyniki obliczeń dla przepływu przez rzeczywisty model układu.

21 Ciśnienie w dystrybutorze i w kolektorze dla Re =390Ciśnienie względem płaszczyzny symetrii całego układu. Re=390

22 Obraz pola prędkości w obszarze wlotu. Re=390 Kontury składowej prędkości w kierunku osi Z

23 Obraz pola prędkości w obszarze wylotu. Re=390Contours of velocity magnitude on outflow region Contours of X-velocity component on outflow region

24 Średnia prędkość w poszczególnych kanałach.

25 Udział poszczególnych zjawisk w całkowitej stracie ciśnienia w funkcji liczby Re.

26 Wnioski Dla zadanej geometrii układu mikrokanałów nie występuje efekt skali. Wyniki symulacji numerycznych wykazały, że stosunkowo duże opory przepływu w układzie spowodowane są przez niewłaściwą geometrię. Można wyróżnić trzy zasadnicze efekty związane z geometrią układu: Przepływ w kanale kolektorowym. Przyczyną strat ciśnienia w tym kanale są zakłócenia spowodowane przez strugi wypływające z mikrokanałów. Oderwanie warstwy w obrębie wlotu do kanału dystrybucyjnego i wystąpienie przepływu zwrotnego w tym obszarze. Oderwanie warstwy w obrębie wylotu z kanału kolektorowego i wystąpienie przepływu zwrotnego w tym obszarze.

27 Accuracy of the computation in the real complete systemResiduals for the case with volumes The pressure changes in chosen points of the model for the case with volumes

28 The pressure distribution in distributor and collector channels for the cases with volumes, volumes and with volumes The differences between distribution of pressure in distributions collector channel for all cases (900000, , volumes) are very small. The difference between the pressure total drop for system with of volumes and for system with volumes is less than 3%.