Verbesserung der Leistung von Mini

Wissenschaftliche Berichte Band 12, Artikelnummer: 9402 (2022) Diesen Artikel zitieren

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Details zu den Metriken

Die Kombination aus Nanoflüssigkeit und Minikanal-Kühlkörpereffekten mit wechselndem Querschnitt hat sich zu einer bemerkenswerten Wahl für den Einsatz von thermischen Geräten wie Miniaturelektronikgeräten zur effektiven Kühlung entwickelt. In dieser Arbeit wird der Vergleich der dreidimensionalen geraden und wellenförmigen Kanalkonfiguration mit der Verwendung verschiedener Arten von Nanoflüssigkeiten numerisch untersucht. Die Auswirkungen der Wellenamplitude und einer bestimmten Art von Volumenanteil von (Kupferoxid CuO, Dimond Al2O3, Eisenoxid Fe3O4, Titanoxid TiO2 und Silber Ag-Nanoflüssigkeiten werden angeboten. Drei Wellenamplituden (0,15 mm, 0,2 mm und 0,25 mm). ) und die Reynoldszahl von 200 bis 1000 und Konzentrationsvolumenvariationen von 0 bis 0,075 werden verwendet. Die Auswirkung auf den Wärmewiderstand, den Druckabfall und den Reibungsfaktor des Minikanals wird angezeigt. Es wird beobachtet, dass die Wärmeübertragungseffizienz des Minikanals sinkt wird im Vergleich zum geraden Kanal erheblich verbessert, wenn destilliertes Wasser als Kühlmittel hinzugefügt wird. Die Ergebnisse zeigen, dass Nanoflüssigkeit und gewellter Minikanal die hydrothermale Effizienz des Kühlkörpers steigern können und Ag-Wasser-Nanoflüssigkeit in Bezug auf die Wärmeübertragung überlegen ist Bei anderen Nanoflüssigkeiten wurde eine Erhöhung der Nusselt-Zahl auf 54 % bei einer Volumenkonzentration von 0,075 erreicht.

Im letzten Viertel des letzten Jahrhunderts brachte die Erfindung mikroelektronischer Geräte eine Revolution in der Elektronikindustrie. Moore hat dieses Miniaturbild gesehen und gezeigt, dass sich die Transistorzahl in einem integrierten Schaltkreis „alle zwei Jahre“ verdoppelt hat, und hat dies vorhergesagt auch in Zukunft weitermachen. In den letzten Jahrzehnten haben Einschränkungen bei herkömmlichen Energiequellen und Umweltverschmutzungsprobleme Ingenieure dazu veranlasst, die Effizienz thermischer Systeme wiederherzustellen, da diese Geräte während ihres Betriebs Wärme erzeugen und für ihren effektiven und zuverlässigen Betrieb kontinuierlich abgeführt werden müssen.

Zu diesem Zweck wird ein Kühlkörper verwendet, da luftgekühlte Kühlkörper die am weitesten verbreiteten Kühlgeräte für elektronische Prozessoren sind. Aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit und Luftwärmekapazität können diese Systeme schnelle Prozessoren kleinerer Größe nicht kühlen und infolgedessen die Der Wärmefluss ist sehr hoch. Obwohl flüssigkeitsgekühlte Kühlkörper im Vergleich zu Luft eine überlegene Leistung aufweisen, hat die Verbesserung der Leistung dieser Dispergiermittel die Aufmerksamkeit von Forschern auf sich gezogen, da herkömmliche Arbeitsflüssigkeiten durch eine geringe Wärmeleistung gekennzeichnet sind und daher anstelle herkömmlicher Flüssigkeiten Flüssigkeiten mit besseren thermischen Eigenschaften verwendet werden müssen Flüssigkeiten sind als Nanoflüssigkeiten bekannt, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit als herkömmliche Flüssigkeiten aufweisen. Daher kann die Dispersion fester Partikel in Basisflüssigkeiten die thermischen Eigenschaften der Hauptflüssigkeit erhöhen, da sich neuere Studien auf die Verbesserung der Wärmeübertragung mithilfe von Flüssigkeiten im Nanomaßstab als experimentelle und experimentelle Flüssigkeiten konzentrierten Analytische Studien haben gezeigt, dass die Wärmeleitfähigkeit nanoskaliger Flüssigkeiten größer ist als bei herkömmlichen Flüssigkeiten und sie daher in Kühlgeräten effizienter sind.

Die Auswirkungen der Verwendung von Nanoflüssigkeiten als Kühlmittel wurden von Mohammed et al.1 numerisch auf Flüssigkeitsströmungs- und Wärmeübertragungseigenschaften in einem rechteckig geformten Mikrokanal-Kühlkörper (MCHS) untersucht. Als Kühlflüssigkeit wird Aluminiumoxid mit Wasser verwendet. Das Ergebnis zeigte, dass sich der Wärmeübergangskoeffizient und die Wandschubspannung erhöhen, wenn der Volumenanteil der Nanopartikel erhöht wird, obwohl der Wärmewiderstand des Kühlkörpers verringert wird.

Die rechteckigen, trapezförmigen und dreieckigen Mikrokanal-Kühlkörper wurden von Gunnasegaran et al.2 numerisch untersucht. Das Ergebnis zeigte, dass bei Kühlkörpern mit kleinem hydraulischen Durchmesser ein höherer Wärmeübertragungskoeffizient erreicht werden kann. Als Kühlflüssigkeit in dreidimensionaler Geometrie wurde Wasser verwendet.

Farsad et al.3 stellten eine numerische Studie eines Mikrokanal-Kühlkörpers (MCHS) aus Kupfer vor, bei dem drei Arten von Nanopartikeln (Al2O3–H2O, CuO–H2O und Cu–H2O) als Kühlmittel verwendet wurden. Die Ergebnisse zeigten, dass die Kühlleistung eines (Al2O3/H2O)-Nanoflüssigkeits-Mikrokanal-Kühlkörpers (0,08) im Vergleich zu Mikrokanal-Kühlkörpern mit destilliertem Wasser um etwa 4,5 Prozent verbessert ist. Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von reinem Matlic-Nanomaterial ergibt sich außerdem eine höhere thermische Verbesserung als bei Oxid-Matlic-Nanomaterial.

Ho und Chen4 untersuchten experimentell die thermische Leistung einer (Al2O3/H2O)-Nanoflüssigkeit als Kühlflüssigkeit in einem rechteckigen Minikanal-Kühlkörper. Die Ergebnisse zeigten, dass der mit Nanoflüssigkeit gekühlte Kühlkörper deutlich höhere durchschnittliche Wärmeübertragungskoeffizienten aufweist und später die wassergekühlten Kühlkörper überholt.

Die thermische Effizienz eines rechteckigen Minikanal-Kühlkörpers mit (Al2O3–H2O)-Nanofluid als Arbeitsflüssigkeit anstelle von reinem Wasser wurde von Sohel et al.5 experimentell untersucht. Das Ergebnis zeigte, dass der Wärmeübergangskoeffizient um bis zu 18 Prozent verbessert wurde. Die Nanoflüssigkeit senkte die Grundtemperatur des Kühlkörpers (ca. 2,7 °C) im Vergleich zu reinem Wasser erheblich.

Xia et al.6 untersuchten numerisch den Flüssigkeitsfluss und die Wärmeübertragung in Mikrokanal-Kühlkörpern mit unterschiedlichen Einlass-/Auslasspositionen (I-, Z- und C-Typ). Als Arbeitskühlflüssigkeit wurde Wasser gewählt. Die Ergebnisse zeigten, dass die Gleichmäßigkeit der Strömungsgeschwindigkeit beim I-Typ relativ besser und beim Z-Typ schlecht ist.

Der wellenförmige Mikrokanal-Kühlkörper und die Anwendung von Nanoflüssigkeiten wurden von Sakanova et al.7 numerisch untersucht. Als Kühlmittel wurde Diamant-Aluminiumoxid mit reinem Wasser verwendet. Es wurde eine dreidimensionale Geometrie mit einer oberen und unteren parallelen Wellenwand untersucht. Das Ergebnis zeigte, dass der Effekt der gewellten Wand die Wärmeübertragung im Vergleich zur Dimond-Aluminiumoxid-Mischung deutlich verbessert. Sivakumar et al.8 untersuchten experimentell die Wärmeübertragungsleistung durch erzwungene Konvektion in Nanoflüssigkeiten (Aluminiumoxid Al2O3 und Kupferoxid CuO–H2O) in einem schlangenförmigen Mikrokanal-Kühlkörper. Die Ergebnisse zeigten, dass sich der Wärmeübertragungskoeffizient von CuO/Wasser-Nanoflüssigkeit im Vergleich zu Al2O3–H2O und destilliertem Wasser erhöht hat.

Li et al.9 untersuchten die Verbesserung der Wärmeübertragung und der Entropyegeneration der laminaren Konvektionsströmung von Al2O3-H2O-Nanoflüssigkeiten in Mikrokanälen mit Durchflusskontrollinstrumenten (Zylinder, Rechteck, Vorsprung und V-Nut). Das Ergebnis dieser Untersuchung zeigte, dass der relative Reibungsfaktor f/f0 des Mikrokanals der rechteckigen Geräte deutlich größer ist als bei anderen Formen.

Liu et al.10 untersuchten numerisch das Verhalten von Minikanal-Kühlkörpern mit ungleichmäßigen Einlässen. Sie zeigten, dass das Verhalten von Minikanal-Kühlkörpern tatsächlich durch die Umverteilung des Flüssigkeitsstroms beeinflusst werden kann und dass die Verwendung ungleichmäßiger Leitbleche zu einer Verringerung des Gesamtwärmewiderstands von Minikanal-Kühlkörpern zwischen 9,9 und 13,1 Prozent führen kann.

Zhang et al.11 untersuchten experimentelle Arbeiten zur Übertragung von Wärme- und Druckabfallmerkmalen mithilfe von zwei Methoden zur Verbesserung der Wärmeübertragung (Passiv-Mikrorippenkonstruktion und Aktiv-Nanoflüssigkeiten) in Multi-Port-Minikanal-Flachrohren (MMFT). Die Studie zeigte, dass die Nusselt-Zahl bei einem Wert der Reynolds-Zahl von 3600 um bis zu 158 % ansteigt.

Ein neues Kühlkörperdesign (doppelschichtig angeordnet) wurde von Tang et al.12 vorgeschlagen. Die Ergebnisse ihrer Studie zeigen, dass die Doppelschichtstruktur den Wärmeaustausch sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung steigert und daher eine gleichmäßige Temperaturverteilung und eine hohe Effizienz der Wärmeübertragung gewährleistet.

Die Auswirkungen von CuO-H2O-Nanoflüssigkeit auf die Kühlleistung von Kühlkörpern mit zwei Querschnitten (rechteckiger und kreisförmiger Querschnitt) wurden von Ghasemii et al.13 numerisch untersucht. Das Ergebnis eines Kontrasts von kreisförmigen und rechteckigen Kanälen bei ähnlichen Reynolds-Zahlen ist, dass der Kühlkörper mit rechteckigen Kanälen einen geringeren Wärmewiderstand aufweist.

Feng et al.14 führen eine numerische Untersuchung durch, um die Leistung und Wärmeübertragung einer laminaren Flüssigkeitsströmung in einem rechteckigen Mikrokanal-Kühlkörper zu überprüfen, der mit einer eingesetzten Drahtspule ausgestattet ist. Die Schlussfolgerungen ergaben, dass die Wirksamkeit der Wärmeübertragung eines Mikrokanal-Kühlkörpers aufgrund der durch Drahtspulen erzeugten Längswirbel deutlich erhöht wird, gleichzeitig jedoch der Strömungswiderstand erhöht wird.

Abdollahi et al.15 beobachteten numerisch die Wärmeübertragungs- und Flüssigkeitsströmungseigenschaften einer laminaren Nanoflüssigkeitsströmung in einem Mikrokanal-Kühlkörper mit (V)-Einlass-/Auslassvoranordnung unter Verwendung verschiedener Oxid-Nanoflüssigkeiten in Flüssigkeiten auf Wasserbasis (SiO2, Al2O3, ZnO und CuO). . Die Ergebnisse zeigten, dass die SiO2-Nanoflüssigkeit im Vergleich zu anderen untersuchten Nanoflüssigkeiten die höchste Wärmeübertragungsrate aufweist.

Die Strömungseigenschaften und die Wärmeübertragung in einem zylindrischen Kühlkörper wurden von Sobamowo et al.16 untersucht. Sie stellten fest, dass eine Verringerung des Kanalspiralwinkels und eine Vergrößerung des Seitenverhältnisses eines Kanals den durchschnittlichen Wärmeübertragungskoeffizienten und den Druckabfall verbessern können ein Kühlkörper. Khodabandeh und Abbassi17 demonstrieren numerisch die thermische Effizienz des Kühlkörpers mit einem trapezförmigen Mikrokanal mit seitlichen Winkeln (75°, 60°, 45°, 30°). Verwenden Sie Al2o3–H2O als Kühlmittel. Es stellt sich heraus, dass die fein Der umgelenkte Kanal mit einem Winkel von 75° weist die höchste Wärmeübertragung auf.

Die Auswirkungen auf den Konvektionswärmeübertragungskoeffizienten, die Basistemperatur, den Wärmewiderstand und das Konzentrationsvolumen wurden von Saeed und Kim18 dokumentiert. Ihre Ergebnisse haben gezeigt, dass sich der Konvektionswärmeübertragungskoeffizient im Vergleich zu destilliertem Wasser erheblich erhöht, wenn Aluminiumoxid-Nanoflüssigkeiten verwendet werden.

Die thermische Analyse verschiedener Geometrien von rechteckigen, kreisförmigen, trapezförmigen und quadratischen Minikanal-Kühlkörpern wurde von Sinks et al.19 experimentell untersucht. Die Studie zeigte, dass im Vergleich zu anderen Arten von Minikanälen die erforderliche Pumpleistung für kreisförmige Minikanalgeometrien maximal und für rechteckige Minikanäle minimal ist.

Drei Techniken zur Verbesserung der Wärmeübertragung wurden von Naphon et al.20 experimentell untersucht; Mikrokanal-Kühlkörper, Nanoflüssigkeiten und ein Strahleinfluss. Die Ergebnisse zeigten, dass eine Suspension von Nanopartikeln in einer Basisflüssigkeit die Übertragung konvektiver Wärme bei einer Nanofluidintensität von 0,015 % deutlich um 18,56 Prozent erhöht. Darüber hinaus nimmt der erzeugte Wärmeübertragungskoeffizient mit zunehmendem Düsendurchmesser und abnehmender Düsenhöhe tendenziell zu.

Ambreen et al.21 schätzten numerisch die Thermoflüssigkeitseigenschaften eines Kühlkörpers mit 72 Rippen mit kreisförmigem Querschnitt, wobei das Al2O3-Wasser-Nanofluid als Kühlmittel verwendet wurde. Die obige Untersuchung ergab, dass die Zugabe von Nanopartikeln zur Grundflüssigkeit die Verbesserungsrate des Wärmeübertragungskoeffizienten um (8,4, 11,5, 16) Prozent auf die volumetrischen Konzentrationen (0,25, 0,5, 1) % erhöhte. Kumar und Sarkar22 analysieren experimentelle und numerische Arbeiten zur Wärmeübertragung und den Druckreduzierungseigenschaften einer Wärmeverteilung, die aus 9 parallelen, rechteckigen Kanälen besteht, und verwenden (Al2O3–TiO2)-Nanoflüssigkeit als Kühlmittel. Die numerischen und experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Abnahme des Drucks und des Reibungsfaktors mit zunehmender volumetrischer Konzentration der Nanopartikel zunimmt und das Mischen von Partikeln unterschiedlicher Art, ähnlicher Form und Größe keinen offensichtlichen Einfluss auf die Wärmeübertragungsrate hat.

Sajid et al.23 untersuchten eine experimentelle Studie zur Wärmeübertragung und hydrodynamischen Eigenschaften von TiO2-Nanoflüssigkeit als Kühlmittel in wellenförmigen Kanälen. Die Ergebnisse zeigten, dass Nanoflüssigkeiten bei allen Arten von Kühlkörpern bessere Wärmeübertragungseigenschaften aufwiesen als reines Wasser. Der stärkste Anstieg der Nusselt-Zahlen wird mit 40,57 Prozent verzeichnet, wenn eine Konzentration von 0,012 % aus TiO2-Nanoflüssigkeiten verwendet wird.

Ein neues Kanaldesign wurde von Abdulqadur et al.24 vorgeschlagen, um die Effizienz eines zylinderförmigen Minikanal-Kühlkörpers mit einem leichten potenziellen Druckabfall zu verbessern. Das Konzept war ein geradliniger Hybridkanal, bei dem die Richtung des Kanals vom direkten Eintritt zum wellenförmigen Pfad variiert. Die Ergebnisse zeigten, dass unter ähnlichen Betriebsbedingungen die allgemeine Leistung eines zylindrischen Minikanal-Kühlkörpers mit einem geraden, wellenförmigen Kanal höher ist als die mit einem geraden Kanal. Experimentelle und numerische Arbeiten wurden unter Verwendung von Wasser als Kühlflüssigkeit untersucht.

Die thermische Effizienz der Bewegung von Nanoflüssigkeiten aus Aluminiumoxid Al2O3/Wasser durch einen rechteckigen Mikrokanal-Kühlkörper mit kontinuierlichem Wärmefluss wurde von Kahani25 numerisch analysiert. Das Ergebnis zeigte, dass die Verringerung des Durchmessers der Nanopartikel die Nusselt-Zahl erhöht. Bei einer Reynolds-Zahl von 100 und einer Volumenkonzentration von 1 Prozent der Nanoflüssigkeitsströmung erreichten die maximalen Verbesserungen der Nusselt-Zahl unter diesen Bedingungen 38 Prozent.

Der Einfluss der Plattendicke auf den Gesamtwirkungsgrad des Wasser-Minikanal-Kühlkörpers wurde von Tariq et al.26 numerisch untersucht. Das Ergebnis zeigte, dass bei einer Plattendicke (0,2 bis 1,6) mm in einem Minikanal die Wärmeübertragung abnahm, während die Basistemperatur anstieg und der Druck abnahm.

Die Wasserkraft und der thermische Wirkungsgrad eines gekrümmten Kanals und Nanoflüssigkeiten als Kühlmittel wurden von Naranjani et al.27 numerisch untersucht. Als Kühlmittel wurden wasserbasierte Nanoflüssigkeiten verwendet, die Al2O3-Nanopartikel mit Volumenanteilen von weniger als 4 Prozent enthalten. Forscher haben gezeigt, dass bei Verwendung von Wellenkanälen anstelle von Standardkanälen in einem Kühlkörper die Wärmeübertragung um (24–36) % steigt, während die Pumpleistung auf 31 Prozent steigt, was zu einer Gesamtleistungsentwicklung von 16–24 % führt.

Ataei et al.28 untersuchten eine experimentelle Studie zur Wärmeübertragung und thermischen Effizienz eines rechteckigen Minikanal-Kühlkörpers. Der Bereich der Rynolds-Zahl liegt zwischen 400 und 1000. Die Konsequenz war, dass durch die Verwendung eines Hybrid-Nanofluids Al2O3/TiO2-H2O anstelle von destilliertem Wasser der maximale Wärmeübertragungskoeffizient auf 16,97 % verbessert und die Wandtemperatur auf 5 °C gesenkt wurde bei minimaler Rynolds-Zahl. Eine weitere Studie, bei der Aluminiumoxid- und Titanoxid-Nanomaterialien getrennt verwendet wurden. Die Wärmeübertragung und der Druckabfall in einem Minikanal-Kühlkörper wurden von Sadegh Moghanlou et al.29 untersucht. Das Ergebnis dieser Studie zeigte, dass bereits bei einer Dispersion von 0,5 Vol.-% Al2O3-Nanopartikeln eine Verbesserung der Wärmeübertragung um 9,30 Prozent beobachtet wurde. Das (TiO2-Wasser) wurde ebenfalls gesammelt, um eine 4,56-prozentige Verbesserung der Wärmeübertragung zu zeigen.

Die hydraulischen und thermischen Eigenschaften von Fe3O4-Wasser-Nanoflüssigkeiten, die um beheizte kreisförmige Zylinder mit senkrechten Rippen in einem Kühlkörper strömen, wurden von Qi et al.30 experimentell untersucht. In ihrer Studie stellten die Forscher fest, dass die akzeptabelsten Arbeitsbedingungen für die größte Wärmeaustauschleistung ein Nanopartikel-Massenanteil von 0,4 Prozent und eine Rippenhöhe H von 3 mm sind, und zeigten, dass die thermische Effizienz mit der Rippenhöhe zunimmt.

Eine neue konzentrierte thermische Kühlkörpergeometrie mit 4 Kanälen (4 mm breit und 3,5 mm tief) wurde von Jilte et al.31 mit alternativen Strömungskanälen untersucht. Die Ergebnisse zeigten eine höhere Ausschussrate für gekühlte Kühlkörper (Al2O3) im Vergleich zu reinem Wasser und einen Anstieg von 2 % bzw. 17 % für einen Anteil von 0,5 % bzw. 5 % Volumen. Die Werte des Wärmeflusses betragen 50 W und 70 W für Flüssigkeitsdurchflussbereiche zwischen 30 und 180 ml/min.

Coşkun und Çetkin32. Die Studie befasst sich jeweils separat mit Pin-Fin- und Nanomaterialien. In einer numerischen Studie wurden die Eigenschaften von Nanopartikeln aus früheren experimentellen Arbeiten untersucht. Ihr Ergebnis zeigte, dass die gesamte Wärmeleitfähigkeit durch den Einsatz von Mikrostiftrippen und die Verwendung eines bestimmten Anteils-Volumen-Verhältnisses von Nanoflüssigkeiten maximiert wird. Muhammad et al.33 numerische Untersuchung eines Minikanals (konvergierend–divergierend in Längsrichtung) mit verschiedenen Nanopartikeln (Aluminiumoxid, Siliziumoxid und Kupfer), die Konzentration lag zwischen 0 und 0,8 Prozent und Reynolds zwischen 200 und 2300 mit einem Wärmefluss von 45 kW/m2. Aluminiumoxid-Nanopartikel haben eine maximale Wärmeübertragungsrate als andere Nanopartikeltypen.

Naphon et al.34 wurde ein Experiment für eine Wasser-TiO2-Nanoflüssigkeitsmischung mit rechteckigen Minikanal-Kühlkörpern aus Aluminium mit unterschiedlicher Höhe getestet. Das Ergebnis zeigte eine hohe Verbesserung der Wärmeübertragung bei annähernd gleichem Druckabfall für die Nanofluide im Vergleich zum entionisierten Reinwasser. Für die gleichen Autoren Naphon et al.35 und für die gleiche Geometrie des rechteckigen Minikanals wurde experimentell und numerisch im Fall eines turbulenten Regimes und eines Zweiphasen-Nanofluidmodells untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass das Fraktionsvolumen mit dem Zweiphasenmodell genauer ist als mit dem Einphasenmodell. Naphon et al.36 verwenden die ANN-Technik (künstliches neuronales Netzwerk), um den Wärme- und Reibungseffekt im Wärmetauscher mit horizontaler Doppelrohrausrichtung zu simulieren. Die Ergebnisse der ANN-Simulation verglichen mit experimentellen Ergebnissen ergaben eine hohe Genauigkeit mit einem Fehlerbereich zwischen \(\pm \, 2,5\%\) und \(\pm \, 7,5\%\).

Der Strahlaufprall verschiedener Bedingungen wird von Naphon et al. untersucht. In37, numerischer Ansatz für ein Zweiphasenmodell von TiO2-Nanopartikeln mit einer Intensität von 0,2 Prozent. In38, experimentelle Arbeit, um den Einfluss des Verhältnisses von Raumplatte zu Strahldurchmesser aufzuzeigen. Bei der experimentellen Untersuchung der Auftreffeigenschaften von Strömungsstrahlen auf Mikrokanal-Kühlkörpern werden viele Parameter berücksichtigt, wie z. B. Volumenanteil, Durchmesser der Düse, Raum zwischen Düse und Kühlkörper und Massenflora. Die In39-ANN-Technik mit CFD wird verwendet, um den Strahlaufprall im Mikrokanal-Kühlkörper zu simulieren. In40 wurden verschiedene Formen von Pin-Fin (rund, konisch und rechteckig) experimentell untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass kreisförmige Stifte eine um 25 Prozent bzw. 12 Prozent höhere thermische Effizienz als konische und rechteckige Stifte haben.

Eine weitere Kühltechnik ist die Pulsierung, die von Naphon et al. untersucht wurde. in zwei Aufsätzen. Das erste im Jahr 41, bei dem die Autoren ANN verwendeten, um den Flüssigkeitsfluss und das Wärmeübertragungsrohr mit spiralförmig gewickeltem Magnetfeld zu simulieren. Die miteinander verglichenen numerischen und experimentellen Ergebnisse ergeben einen Fehlerbereich zwischen \(\pm \, 0,025\) und \(\pm \, 0,05\). In der zweiten Arbeit verwendeten Naphon et al.42 einen anderen Ansatz namens ANFIS (adaptives Neuro-Fuzzy-Inferenzsystem), um Flüssigkeit und Wärme in einem spiralförmigen, wellenförmigen Rohr unter einem Magnetfeld zu imitieren. Beim Vergleich numerischer und experimenteller Daten wird eine hohe Genauigkeit erzielt.

Line et al.43 untersuchten numerische Untersuchungen wellenförmiger Mikrokanäle unter Verwendung des Finite-Volumen-Ansatzes. Drei Variablenkonfigurationen werden untersucht: Wellenlänge, Amplitude und zusammen Wellenlänge und Amplitude. Die Ergebnisse zeigen eine Leistungsverbesserung für drei Konfigurationen im Vergleich zum herkömmlichen rechteckigen Mikrokanal. Mustafa et al.44 untersuchten die experimentellen und numerischen Arbeiten. Ein Vergleich zwischen drei verschiedenen zylindrischen Mikrokanälen, wobei der erste gerade, der zweite parallel wellenförmig und der dritte spiralförmig ist. Die Ergebnisse zeigen, dass die spiralförmige Form eine bessere hydrothermale Leistung bietet als wellenförmige und gerade Formen.

Shahd et al.45 führten eine numerische Studie durch, um die wellenförmige und die flache Querschnittsfläche eines kreisförmigen zylindrischen Kühlkörpers im laminaren Bereich zu vergleichen. Als Arbeitsflüssigkeit wurde Kupferoxid mit Wasser verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass die gewellte Oberfläche die Wandtemperatur des Kühlkörpers auf 20,47 °C senkt als die Wandtemperatur des flachen Kühlkörpers.

Ein Vergleich zwischen geraden und konvergierenden Minikanal-Querschnittsflächen wurde von Zahraa et al.46 numerisch untersucht. Zwei Arten von Nanoflüssigkeiten, Fe3O4 und Ag, werden gemischt mit Wasser als Kühlflüssigkeit verwendet. Die Simulation wurde mithilfe des Finite-Elemente-Ansatzes durchgeführt.

Der vorangegangenen Literaturübersicht zufolge hängt die Wärmeübertragungsrate in einem Minikanal-Kühlkörper stark von der Kanalgeometrie und der Art des verwendeten Kühlmittels ab. Forscher haben rechteckige, dreieckige und kreisförmige Kanalkühlkörper erheblich verbessert. Wellenkanal-Kühlkörper befinden sich jedoch noch im Forschungsstadium und es ist nur wenig Literatur zu ihrer hydraulischen und thermischen Effizienz verfügbar. Es wurden drei Veröffentlichungen veröffentlicht, die sich mit der Untersuchung des Flüssigkeitsflusses und der Wärmeübertragung innerhalb eines wellenförmigen Minikanals befassen: Referenzen 23 und Referenzen 27 und 44. In Referenz 23 wurde die experimentelle Studie mit parallelen Wellenwänden untersucht. In Referenz 27 und 44 finden Sie eine numerische FVM-Studie eines kompakten Kühlkörpers mit einer Reihe paralleler Wellen, bei denen die Wände parallel zur Strömung verlaufen und parallele, identische Wege aufweisen. In der vorliegenden Arbeit wurde der Vergleich der Wärmeübertragungsrate, der Fluidströmungsstruktur und des Reibungsfaktors in einem bestimmten Kanal zwischen rechteckig und wellenförmig in dreidimensionaler Geometrie untersucht. Der Wellenkanal in dieser Arbeit ist nicht parallel, so dass die Oberseite der Wand der Oberseite der parallelen Wand entspricht und die Unterseite der Wand der Unterseite der parallelen Wand entspricht, daher ist die Strömung im Wellenkanal ausgesetzt die Engstellen und Erweiterungsbereiche regelmäßig. Der Zweck dieser Forschung besteht darin, den Einfluss der Welle von Kanalwänden in zwei verschiedene Richtungen auf die Verbesserung der Wärmeübertragung eines Minikanal-Kühlkörpers durch die Verwendung von fünf Arten von Nanoflüssigkeiten zusätzlich zu destilliertem Wasser als Arbeitsflüssigkeit zu demonstrieren unterschiedliches Konzentrationsvolumen und unterschiedliche Wellenamplituden bei unterschiedlichen Durchflussraten und vergleichen Sie es mit einem herkömmlichen Kanal.

Die in der numerischen Analyse verwendeten physikalischen Modelle sind in Abb. 1 dargestellt. Der Kühlkörper mit rechteckigem (konventionellem) MCHS wird als Standardkühlkörper für Minikanäle verwendet. Es besteht aus Kupfer und hat nur einen Kanal. Die geometrischen Parameter eines herkömmlichen Minikanals sind die folgenden: Wandstärke (t) = 1 mm; Breite des Kanals (Wc) = 2 mm; Breite des Kühlkörpers (W) = 4 mm; Kanalhöhe (Hc) = 3 mm; Höhe des Kühlkörpers (H) = 5 mm. Die unteren Größen sind (4 mm × 50 mm) und ein gleichmäßiger Wärmefluss von 180 kW/m2 wird von der unteren Oberfläche aus erreicht, wie in Abb. 1a dargestellt.

Schematische Darstellung eines vorliegenden Problems (a) konventioneller Kanal (b) Wellenkanal.

Abbildung 1b zeigt den wellenförmigen Minichannel-Kühlkörper. Er hat die gleichen Abmessungen wie ein rechteckiger Mini-Channel-Kühlkörper. Die einzige Änderung ist ein Weg des Flüssigkeitsflusses in einer Kosinuskurve, die durch die folgende Gleichung ausgedrückt wird:

wobei Y = S, 50 N\(\ge S\ge 0\) = 0,25 (mm), A: Wellenamplitude = 0,15, 0,2 und 0,25 (mm).

In dieser Arbeit wurde die dreidimensionale Geometrie mit zwei Rechendomänen untersucht, um den Einfluss von Variablen auf die Wärmeübertragungsrate und die Fluidströmungsstruktur klar darzustellen. Die erste Domäne ist die Fluid-Rechendomäne und stellt den Bereich dar, in dem die Flüssigkeitsströmung und der Konvektionswärmeübertragungsmodus vorliegen, während die zweite Domäne die Festkörper-Rechendomäne ist, in der der Konduktionswärmeübertragungsmodus dargestellt wird und die aus Kupfer besteht. Für beide Bereiche werden geeignete Annahmen und Randbedingungen mit hoher Genauigkeit entwickelt, um eine logische und korrekte Lösung zu erhalten. Um die Analyse zu vereinfachen, werden in dieser Studie eine Reihe von Annahmen über den Betriebszustand eines Minikanals getroffen:

Der Fluss des Arbeitsmediums ist laminar, stationär, inkompressibel und einphasig durch einen Kanal (wo das Fluid nur in seinem flüssigen Zustand vorliegt).

Die Schwerkraft ist unbedeutend.

Der Wärmefluss war konstant und wurde der Basis des Kühlkörpers zugeführt.

Die Oberfläche eines Mini-Channel-Kühlkörpers ist effektiv isoliert.

Die Art der Wärmeübertragung, Strahlung, wird als vernachlässigbar angesehen.

In dieser Arbeit wurde die dreidimensionale Geometrie des konjugierten Problems (Flüssigkeits-Feststoff-Problem) vorgestellt. Auf der Grundlage der obigen Annahme lautet die maßgebliche Gleichung für dieses Modell wie folgt:

(Kontinuität). (Massenerhaltungs-)Gleichungen für das Fluid (ein Kühlmittel)43,44:

Impulsgleichungen in x-, y- und z-kartesischen Koordinaten, angegeben als:

Die Energiegleichungen für die Flüssigkeit (ein Kühlmittel):

Die Energiegleichungen für den Festkörperbereich:

Die Geschwindigkeit am Einlass wurde durch ein entsprechendes Profil mit dem Maximalwert (uin) angegeben, während andere Geschwindigkeitskomponenten gleich Null sind.

Die Temperatur eines Kühlmittelflüssigkeitseinlasses (293 K).

Der Druck am Ausgang wird mit 0 Pa berechnet.

Konstanter Wärmefluss von 180 kW/m2, der am Boden des Kanals empfangen wird.

An keiner der Außenflächen kam es zu Wärmeverlusten.

Durch Vorgabe geeigneter Randbedingungen für Geschwindigkeit und Temperatur im Einlassbereich. Basierend auf diesen Werten im Einlassbereich werden die maßgeblichen Gleichungen Kontinuität, Impuls und Energie gelöst.

Die Reynolds-Zahl Re, hydraulischer Durchmesser (Dh), ist wie folgt definiert:

Der Druckabfall (Δp) zwischen Einlass und Ausgang des Minichannel-Kühlkörpers, der Reibungsfaktor (f) und der Wärmewiderstand (Rth) werden bestimmt durch14:

Dabei sind \(pin\) und \(pout\) der statische Druck am Eingang und Ausgang des Minikanal-Kühlkörpers, Q: Gesamtwärmeübertragung, \(Q={q}_{in}*{A}_ {S}\); Dabei ist qin der Wärmefluss auf der Unterseite des Kühlkörpers. As ist die Minikanal-Kühlkörperfläche an der Basis und wird als As = W × L ausgedrückt.

Die Nusselts-Zahl Nu wird berechnet durch14:

wobei kf: die Wärmeleitfähigkeit des Fluids, Twm: mittlere Kühlkörpertemperatur, Aht: eine Kontaktoberfläche des Arbeitsmediums und des Kühlkörper-Minikanals und ausgedrückt wird, Tout: die Temperatur des Fluids am Auslass.

Die in der vorliegenden Studie verwendeten Arbeitsflüssigkeiten sind [(Al2O3–H2O), (CuO–H2O), (TiO2–H2O), (Fe3O4–H2O) und (Ag–H2O)] Nanofluide und die thermophysikalischen Eigenschaften der in Tabelle 1 erhältlichen Nanopartikel .

Die thermophysikalischen Eigenschaften von Nanofluiden wurden anhand der folgenden Beziehungen geschätzt:

Die Dichte und spezifische Wärme von Nanoflüssigkeiten wurde mit dem Modell von Sakanova et al.7 berechnet:

Die Wärmeleitfähigkeit und Viskosität der Nanofluide wurden mit dem Modell7 berechnet:

In der aktuellen Arbeit wurde das Programm Comsol Multiphysics zur Simulation und Lösung dreidimensionaler Wärme- und Strömungsprobleme in Minikanälen eingesetzt.

Ein CFD-Modul in Comsol Multiphysics, das auf einer Finite-Elemente-Methode mit einem Galerkin-Ansatz basiert, um die partiellen Differentialgleichungen zu lösen, die den Problembereich regeln (Kontinuität, Impuls und Energie für feste und flüssige Bereiche).

Um die Genauigkeit des Maschengitters zu gewährleisten, wurde die Untersuchung anhand verschiedener Maschentypen (normal, fein, feiner und extrem feinmaschig) für rechteckige Minikanäle durchgeführt (Abb. 2). Die getesteten und in Tabelle 2 erläuterten Netztypen enthalten jeweils die Anzahl der Elementdomänen, Randelemente und Kantenelemente durch Berechnung der durchschnittlichen Nusselt-Zahl im heißen Oberflächenkontakt zwischen Festkörper und Flüssigkeitsdomäne als abhängige Variable, da die Nusselt-Zahl ein globaler Parameter ist Aufgrund des minimalen Fehlers wurde ein feines Netz ausgewählt. Die Nusselt-Zahl und die maximale Temperatur (Tmax) wurden für jedes Netz für einen herkömmlichen Minikanal-Kühlkörper bei einer Reynolds-Zahl Re 400 und einem Wärmestrom von 180 kW/m2 bewertet. Der relative Fehler der gewählten Parameter wurde mit der folgenden Gleichung berechnet35

Netzverteilung eines Rechenbereichs (a) konventioneller Kanal (b) Wellenkanal.

wobei Z einen beliebigen Parameter bezeichnet; B. Nusselt-Zahl, Druckverluste, Reibungsfaktor und Temperatur, bedeuten Z1 und Z2 die variablen Werte, die aus den feinsten Gittern sowie anderen Gittern erhalten werden29. Tabelle 2 verdeutlicht dies. Die Netzunabhängigkeit der Lösung wurde durch das „feine“ Netz gewährleistet, was eine optimale Laufzeit ermöglichte. Um die Präzision der Daten sicherzustellen, wurden zwei Modellierungsmodelle früherer CFD-Analysen verglichen. Das erste Modell wurde mit14 in Verbindung gebracht, die eine numerische Analyse durchführten, um Wärme und Strömung im rechteckigen Kühlkörper (MCHS), der mit Spuleneinsätzen ausgestattet war, mithilfe der (FVM)-basierten Software ANSYS CFX I (www.ansys.com) zu untersuchen. Die Abbildungen 3 und 4 zeigen einen Vergleich der aktuellen COMSOL 5.6 (www.comsol.com)-Simulationen mit den verfügbaren Berechnungen, wobei eine gute Übereinstimmung zwischen den beiden Ansätzen erkennbar ist. Die weitere Validierung erfolgte mit7, die eine numerische Untersuchung begleitete, um den Einfluss einer gewellten Kanalstruktur und einer Nanoflüssigkeit auf die Anwendung der Wärmeübertragungseigenschaften eines Mikrokanal-Kühlkörpers zu erklären. Mit dieser Analyse wurde die Validierung durchgeführt und in den Abbildungen konnte ein guter Konsens festgestellt werden. 5, 6, 7 und 8.

Vergleich der Temperatur- und Geschwindigkeitskonturen zwischen der vorliegenden Arbeit und Feng et al.14 an einem Querschnitt (x/L = 0,625) im Mikrokanal bei Re = 663 und qw = 400 kW/m2.

Codevalidierung mit Feng et al.14 durch Vergleich der Variation der Nusselt-Zahl (a) und des Reibungsfaktors mit der Reynolds-Zahl (b).

Vergleich des Geschwindigkeitsvektors des Rechteckkanals entlang der Z-Achse mit Sakanova7.

Vergleich der aktuellen Untersuchung mit dem Temperaturverteilungspfad von Sakanova et al. durch den rechteckigen Kanal.

(a) Wärmewiderstand und (b) Druckabfallabhängigkeit von Re für rechteckige MCHS unter Verwendung von reinem Wasser.

(a) Wärmewiderstand und (b) Druckabfallabhängigkeit von Re für rechteckige MCHS unter Verwendung von Diamant (5 %)-Wasser-Nanofluid als Kühlmittel.

Die Verteilung eines Wärme- und Flüssigkeitsstroms in den Minikanälen muss untersucht werden, da sie einen direkten Einfluss auf die Kühleffizienz hat.

Abbildung 9 zeigt die Geschwindigkeitsverteilung und -größe für einen rechteckigen und einen wellenförmigen Kanal mit unterschiedlicher Amplitude entlang der y-Achse (A = 0, 0,15, 0,2 und 0,25) mit der Reynolds-Zahl Re = 800 und Ag (7,5 %) als Kühlmittel. Aufgrund seiner wellenförmigen Struktur erhöht sich die Geschwindigkeit der Flüssigkeit mit zunehmender Amplitude der Welle, wenn sie den rechteckigen Kanal erreicht (0,49 m/s) und die Wellenform erreicht (0,65, 0,72, 0,81). m/s entsprechend der Wellenamplitude (0,15, 0,2, 0,25) mm, wobei die Wellenform eine Aktivität und einen zusätzlichen Anstieg der kinetischen Energie bewirkt, da die angrenzende Schicht im Taillenbereich reduziert wird, was zu einer Erhöhung führt Die strömende Flüssigkeitsmasse erhöht somit die kinetische Energie der Flüssigkeit. Die maximale Geschwindigkeit in y-Richtung wird von der Mittellinie zu den kurvigen Spitzen verschoben und die Strömung neben den wellenförmigen Spitzen wird beschleunigt. Daher werden die hydrodynamischen und thermischen Randschichten immer dünner. Dadurch kommt es zu einer Verbesserung des Wärmeübergangskoeffizienten.

Einfluss von Wellwänden auf die Geschwindigkeitsgröße bei φ = 0,075, Re = 800, q_w = 180 kw/m2 für Amplitude (A) = 0, 0,15, 0,2 und 0,25.

Um eine Temperaturverteilung entlang der Wechselwirkungsflächen zwischen Flüssigkeit und Feststoff in verschiedenen Formen von Minikanal-Kühlkörpern (Ag) zu erklären, wurde Nanoflüssigkeit mit einer Reynolds-Zahl Re = 800 und einer Volumenkonzentration von Nanoflüssigkeit (0,075) unter denselben Einlassbedingungen (Tin) ausgewählt = 293 K), wie in Abb. 10 dargestellt. Die Temperatur steigt vom Einlass zum Auslass entlang der y-Richtung für verschiedene Kanäle. Eine maximale Wärmeverteilung von einem Minikanal-Kühlkörper findet am Einlass aufgrund einer maximalen Temperaturvarianz zwischen a statt Kanal- und Einlassflüssigkeitstemperatur. Da der Prozess der Wärmeübertragung durch Konvektion zwischen den Wänden des Kanals und der durch ihn strömenden Flüssigkeit erfolgt, ergibt sich auch die Wärmeübertragung aufgrund des Ausmaßes der Temperaturschwankung zwischen einer Oberfläche und einer Flüssigkeit dort, wo die höchste Wärmeübertragung stattfindet zu Beginn des Stroms, da die Temperatur des Fluids gering und daher die Temperaturschwankung groß ist und somit die Wärmeübertragung von einer Oberfläche auf das Kühlfluid zunimmt, wodurch sich dessen Temperatur während seines Flusses im Strom und damit auch der Temperaturunterschied erhöht nimmt ab, wenn der Strom erschöpft ist und die Wärmeübertragung abnimmt. Daher bemerken wir den Temperaturanstieg entlang der Y-Achse. Die höchste Temperatur des Minikanal-Kühlkörpers beim Wellenkanal ist niedriger als die eines rechteckigen Kanals und nimmt mit zunehmender Wellenamplitude (A) ab, wie in Abb. 10 dargestellt. Die Gründe hierfür werden im Abschnitt „Wirkung“ erläutert einer wellenförmigen Wand aus MCHS".

Einfluss gewellter Wände auf die Temperaturverteilung bei φ = 0,075, Re = 800, q_w = 1,85E5 w/m2 für Amplitude (A) = 0, 0,15, 0,2 und 0,25.

Um die Auswirkungen der wellenförmigen Wand des Minikanals zu bewerten, wurde zunächst destilliertes Wasser als Kühlflüssigkeit verwendet. Abbildung 11 zeigt den Wärmewiderstand, den Reibungsfaktor und den Druckabfall gegenüber der Reynolds-Zahl sowohl für einen herkömmlichen als auch für einen vollständig gewellten Minikanal-Kühlkörper. Aus Abb. 11a geht hervor, dass die Beziehung zwischen thermischem Widerstand und der Reynolds-Zahl (Re) umgekehrt ist Proportionalität. Der Wärmewiderstand verringert sich mit steigender Reynolds-Zahl aufgrund einer erhöhten Strömungsgeschwindigkeit und thermischer Dispersionseffekte. Es ist offensichtlich, dass in all diesen Fällen (A) = 0,25 mm einen minimalen Wärmewiderstand aufweisen. Es ist auch klar, dass ein rechteckiger Kanal vorliegt Der Wärmewiderstand ist größer als bei allen gewellten Kanälen. Der Vergleich zwischen einem gewellten und einem rechteckigen Kanal zeigt einen großen Unterschied in der Effizienz der Wärmeübertragung. Aus Abb. 11b geht hervor, dass das umgekehrt proportionale Verhältnis von Reibungsfaktor (f) und Reynolds-Zahl ( Betreff: Mit zunehmender Reynolds-Zahl nimmt der Reibungsfaktor ab. Der niedrigste Wert des Reibungsfaktors ist in einem rechteckigen Kanal zu sehen. Außerdem ist es offensichtlich, dass der Reibungsfaktor (f) eines wellenförmigen Kanals bei einer Wellenamplitude (A) = 0,25 mm beträgt ist größer als alle Wellenfälle. Diese Effekte sind auf einen Anstieg der Widerstandskraft zurückzuführen, der aus der Wiederaufbereitung einer Strömung und der Änderung ihres Weges innerhalb des Wellenkanals resultiert. Der Reibungsfaktor (f) steigt mit zunehmender Wellenamplitude als Ergebnis der hohen Druckreduzierung, die durch die Erhöhung des Strömungswiderstands mit wellenförmigem Weg verursacht wird.

Beziehung zwischen (a) thermischem Widerstand (Rth), (b) Reibungsfaktor (f), (c) Druckabfall und (d) Nusselt-gegen-Reynolds-Zahl (Re) im rechteckigen Kanal und im wellenförmigen Kanal.

Aus Abb. 11c lässt sich auch erkennen, dass die Beziehung zwischen einem Druckabfall und der Reynolds-Zahl (Re) proportional ist. Mit steigender Reynolds-Zahl (Re) steigt auch der Druckabfall. Es ist klar, dass der Wellkanal einen größeren Druckabfall aufweist als ein herkömmlicher Kanal. Je höher die Wellenamplitude, desto stärker sind die Druckabfälle aufgrund von Flussunterbrechungen aufgrund von Variationen in der Ausrichtung des Kanals und der Sekundärströmung in einem wellenförmigen Kanal, die erzeugt wird, und die Kontakte zwischen Wirbeln und den Wänden des Kanals erhöhen häufig die Druckverluste der Wärmesenke .

Abbildung 11d zeigt das Nusselt-Zahlenverhältnis des rechteckigen Minikanals und des Wellenkanals für verschiedene Fälle. Es ist zu erwarten, dass die Wärmeübertragung in jedem wellenförmigen Kanal im Vergleich zu einem rechteckigen Kanal erhöht wird. Unabhängig von der Kanalkonfiguration steigt die (Nusselt-Zahl) mit zunehmender Reynold-Zahl auf Kosten einer höheren Pumpleistung Pp. Mit dem Reynolds-Anstieg nimmt die thermische Grenzschicht in den Kanälen ab, wobei der Temperaturgradient in der Nähe der Kanalwände zunimmt, was zu einer höheren Wärmeübertragung beiträgt. Der Flüssigkeitsfluss durch Wellen unterliegt einer Zentrifugalkraft, die ein Strömungsfeld stört und zu einer Rezirkulation von Flüssigkeiten führen kann27.

Der Sekundärstrom des Kanals, der die Flüssigkeit vom Mittelteil dieses Kanals zu seiner heißen Wand und von Bereichen neben den Kanalwänden zum Mittelteil des Kanals bewegt, wird durch die Flüssigkeitsrezirkulation induziert, also die Kraft eines Sekundärstroms. steigt, wenn die Reynolds-Zahl erhöht wird. Darüber hinaus führen Variationen in der Krümmung einer Kanalwand zu Änderungen in der Ausrichtung von Wirbeln in einem Kanal. Dadurch, dass eine Flüssigkeit während ihres Fließens von einer wellenförmigen Bahn abgefangen wird, ist sie bei der Übertragung von Bewegungen effektiver, da die Bereiche, in denen sich die Welle verengt, als Beschleuniger wirken, gefolgt von Bereichen, in denen die Fließfläche zunimmt. Durch diese Abfolge entsteht eine Art Schichtung zwischen den Schichten der fließenden Flüssigkeit, die diese effektiver macht. Die Verbesserung der thermischen Effizienz in einem Kühlkörper mit wellenförmigen Kanälen ist auf eine Vergrößerung des Wärmeübertragungsbereichs und die Bildung von Sekundärströmungswirbeln zurückzuführen, die die Konvektion verstärken. Da eine Verbesserung der Wärmeübertragung in zwei Teilen induziert wird, nämlich durch die Vergrößerung der Kontaktfläche zwischen der Oberfläche eines Wärmeübertragungselements und der Kühlflüssigkeit, und in der anderen Hälfte durch die kontinuierliche Änderung der Strömungsrichtung zwischen der Richtung der Strömung nach innen in der Verengung Anschließend wird die Strömung in den Ausdehnungsbereichen nach außen zu den Seitenwänden geleitet, und diese Richtung erfolgt periodisch bis zum Ende der Strömung.

In Abb. 12 ist zu sehen, dass der thermische Widerstand des Wellenkanals mit (CuO)-Nanofluiden und Wasser als Kühlmittel abnimmt, wenn die Reynolds-Zahl steigt. Außerdem wurde mit zunehmendem Anteil an Nanopartikeln der thermische Widerstand weiter verringert. Diese Abnahme des Wärmewiderstands könnte dadurch interpretiert werden, dass die Wärmeleitfähigkeit des Nanofluids höher ist als die von reinem Wasser. Dies liegt an der Verbesserung der thermophysikalischen Eigenschaften durch die Zugabe von wärmeleitenden Nanopartikeln zu Wasser als Basisflüssigkeit.

Wärmewiderstand versus Reynolds-Zahl für Wellenkanal: (a) Wellenamplitude (A = 0,15 mm). (b) Wellenförmige Amplitude (A = 0,2 mm). (c) Wellenförmige Amplitude (A = 0,25 mm).

In Abb. 13 wurde das AL2O3-Nanofluid mit verschiedenen Volumenkonzentrationen (φ) ausgewählt, um die Auswirkungen des Nanofluids auf den Reibungsfaktor zu veranschaulichen, und es wurde festgestellt, dass der Reibungsfaktor bei Nanofluiden größer ist und mit dem Anstieg der Welle ansteigt Amplitude und Konzentrationsvolumen (φ) und nehmen mit zunehmender Reynolds-Zahl ab. Es ist auch erwähnenswert, dass die Verwendung von Nanoflüssigkeit als Kühlmittel anstelle einer reinen Flüssigkeit möglicherweise zu einem zusätzlichen Anstieg des Druckabfalls im Vergleich zu destilliertem Wasser führt, da in der Nanoflüssigkeit feste Nanopartikel vorhanden sind, die zu einem Anstieg der Viskosität und Dichte der Nanoflüssigkeit führen bewirkt eine Erhöhung des Reibungsfaktors. Der Reibungsfaktor nimmt mit zunehmender Reynolds-Zahl ab, da Reibungsfaktor und Geschwindigkeit in einem umgekehrten Verhältnis zueinander stehen.

Reibungsfaktor versus Reynolds-Zahl für Wellenkanal: (a) Wellenamplitude (A = 0,15 mm). (b) Wellenförmige Amplitude (A = 0,2 mm). (c) Wellenförmige Amplitude (A = 0,25 mm).

Abbildung 14 stellt den Druckabfall gegenüber der Reynolds-Zahl dar, was zeigt, dass höhere Druckverluste mit der Steigerung der Wärmeübertragungseffizienz eines Kühlkörpers korrelieren, der mit Nanoflüssigkeiten im Vergleich zur Standardflüssigkeit erreicht wird. Dies ist auf eine höhere Viskosität der Nanoflüssigkeit zurückzuführen. Mit zunehmendem Volumenanteil der Nanopartikel nehmen die Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln zu, was zu einem Anstieg der eigentlichen Viskosität der Nanoflüssigkeiten führt. Daher steigt die Pumpleistung, die zum Antrieb eines Kühlmittels in einem Kühlkörper erforderlich ist, mit steigendem Volumenanteil der Nanopartikel.

Zeigen Sie die Auswirkung von verwendetem Nanofluid als Kühlmittel auf den Druckabfall.

Wellenförmige Kanäle werden numerisch auf dreidimensionale Wärmeübertragung untersucht, wobei verschiedene Nanoflüssigkeiten wie (Al2O3, CuO, TiO2, Fe3O4 und Ag) Wasser-Nanoflüssigkeiten als Kühlmittel verwendet werden. Der Volumenkonzentrationsbereich liegt zwischen 0,025 und 0,075 Prozent und die Reynolds-Zahl zwischen 200 und 1000. Für den Einfluss des Nanopartikelkonzentrationsvolumens auf den gesamten thermischen Widerstand werden der Fall hoher und niedriger Reynolds-Werte gewählt. Basierend auf dem Ergebnis aus Abb. 15. Im Allgemeinen bewegen sich alle Arten von Nanopartikeln in die gleiche Richtung, nämlich die Abnahme des thermischen Widerstands mit zunehmendem Verhältnis der Konzentration der Nanomaterialien. In Abb. 15a und b wurde außerdem festgestellt, dass der Wärmewiderstand mit zunehmender Reynoldszahl abnimmt. Die Ag-Nanoflüssigkeit zeigte in allen Konzentrationen und für beide Reynolds-Zahlen den niedrigsten Wärmewiderstandswert (Ag-Wasser)-Nanofluid hat eine bessere Wärmeleitfähigkeit. Wie folgt lässt sich der Einfluss von Nanofluiden erklären. Sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch die dynamische Viskosität werden durch das Vorhandensein von Nanopartikeln in Basisflüssigkeiten verbessert, was zu einer Verringerung der Wärmekapazität führt. Es ist auch möglich, den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten durch Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit zu erhöhen. Gleichzeitig nimmt die dynamische Viskosität zu und die Wärmekapazität ab, wodurch die mittlere Geschwindigkeit von Nanoflüssigkeiten abnimmt.

Gesamtwärmewiderstand im Verhältnis zur Volumenkonzentration verschiedener Arten von Nanofluiden (a) Re = 200, (b) Re = 1000.

Abbildung 16 zeigt den Einfluss des Konzentrationsvolumens auf die Nusselt-Zahl für verschiedene Formen des Kanals bei der Reynolds-Zahl (Re = 200). In Situationen, in denen Nanoflüssigkeiten als Kühlmittel verwendet werden, ist die Nusselt-Zahl (Nu) größer als bei der Verwendung von Wasser zur Kühlung des Kühlkörpers. Dies wird vor allem auf die höhere thermische Effizienz von Nanoflüssigkeiten im Vergleich zu einer Basisflüssigkeit zurückgeführt. Dies führt zu einem Anstieg des Wärmeleitungsbeitrags zur gesamten Energieübertragung und nimmt mit zunehmendem Volumenanteil eines Nanopartikels zu. Dies ist auf die vergrößerte Gesamtwärmeübertragungsfläche zwischen Nanopartikel und einer Grundflüssigkeit sowie auf die erhöhte Kollisionsrate der Nanopartikel zurückzuführen, die die Brownsche Bewegung des Partikels erhöht, was zu einer Erhöhung der effektiven Wärmeleitfähigkeit der Mischung führt27. Abbildung 17 zeigt die Auswirkung des Nanopartikeltyps auf den Reibungsfaktor, wobei Ag die maximalen und Al2O3 die minimalen Werte für f aufweist.

Zeigen Sie die Nusselt-Zahl (Nu) im Vergleich zur Volumenkonzentration für verschiedene Kanäle an.

Reibungsfaktor des Wellenkanals (A = 0,15 mm) und Volumenkonzentration (ϕ = 5 %) für verschiedene Nanoflüssigkeiten mit Reynolds-Zahl.

Abbildung 18 zeigt die maximale Temperatur für verschiedene Arbeitsflüssigkeiten; destilliertes Wasser, Al2O3-H2O, TiO2-H2O, CuO-H2O, Fe3O4-H2O und Ag-H2O-Nanoflüssigkeiten gelten als Kühlmittel im Wellenkanal (A) = 0,15 mm für die unterschiedliche Reynolds-Zahl (Re). Mit zunehmender Geschwindigkeit sinkt die Temperatur einer Minikanalwand. Aufgrund des Newtonschen Abkühlungsgesetzes hat der Wärmeübergangskoeffizient eine umgekehrte Beziehung zur Temperaturschwankung.

zeigt die maximale Temperatur des Minikanals für verschiedene Nanoflüssigkeiten am Wellenkanal (A = 0,15 mm) für die unterschiedliche Reynolds-Zahl (Re).

wobei h: Wärmeübergangskoeffizient (w/m2 · k), A: Oberfläche (m2), \(\nabla T\): Temperaturschwankung (k).

Das Ag-H2O-Nanofluid, das im Vergleich zu anderen Nanofluiden die größte Verbesserung der Wärmeübertragung aufweist, zeigte den niedrigsten Temperaturwert an den Wänden eines Minikanals, wie in Abb. 18 dargestellt. Zur Veranschaulichung der Auswirkung volumetrischer Brüche auf die Temperatur der Wände Für die verschiedenen untersuchten Kanäle wurde (CuO–Wasser) mit unterschiedlichen Volumenkonzentrationen ausgewählt. Wie in Abb. 19 für rechteckige (a) und wellenförmige Minikanäle mit unterschiedlicher Wellenamplitude (A = 0,15, 0,2, 0,25) mm bei (b) gezeigt. , (c) bzw. (d). Es zeigte sich, dass die Wandtemperatur abnimmt, wenn die Nanopartikel-Volumenanteile (φ) steigen. Dies liegt an einer Vergrößerung der gesamten Wärmeübertragungsfläche zwischen den Partikeln und einer Grundflüssigkeit und einer Verbesserung der Aufprallrate der Nanopartikel, die die Brownsche Bewegung der Partikel erhöht und so zu einer Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit der Mischung führt.

Zeigen Sie den Zusammenhang zwischen der maximalen Wandtemperatur und einer Reynolds-Zahl verschiedener Arten von Minikanal-Kühlkörpern.

Der kombinierte Einfluss der Nusselts-Zahl und des Reibungsfaktors wurde verwendet, um das gesamte hydrothermale Verhalten des Wellenkanals unter Verwendung von PEC zu messen, wie in Gleichung (1) gezeigt. (20)27

wobei der Index (o und i) einen herkömmlichen Kühlkörper und einen wellenförmigen Minikanal darstellt.

Abbildung 20 zeigt die Beziehung zwischen einem thermischen Leistungsfaktor und einer Reynoldszahl für einen Wellenkanal mit unterschiedlicher Wellenamplitude (A) und destilliertem Wasser als Arbeitsmedium. In dieser Analyse ist deutlich zu erkennen, dass der thermische Effizienzfaktor über den gesamten Reynold-Zahlenbereich größer als eins ist und mit zunehmender Reynold-Zahl nahezu ansteigt. Wenn die Amplitude einer Welle zunimmt, steigt außerdem der thermische Leistungsfaktor. Dies bedeutet, dass der Anstieg des Druckverlusts durch eine Verbesserung der Wärmeübertragung ausgeglichen werden kann, wenn gewellte Minikanäle im Vergleich zu rechteckigen Minikanälen verwendet werden.

Variation des Wärmeleistungsfaktors über der Reynoldszahl für Wellenkanal mit unterschiedlicher Wellenamplitude (A) bei destilliertem Wasser als Kühlmittel.

In einer vorliegenden Studie wurde die Wärmeübertragung durch zwei Methoden verbessert, eine davon ist kostengünstig, nämlich das Riffeln der Wände, und die andere kostengünstige Methode ist die Verwendung unterschiedlicher Nanoflüssigkeiten, und diese beiden Methoden haben sich bewährt ihre Wirksamkeit bei der Erhöhung der Wärmeübertragungsrate durch nachgewiesene Ergebnisse. Dabei wurde eine numerische Analyse zwischen rechteckigen und wellenförmigen Minikanal-Kühlkörper- und Fluidströmungseigenschaften unter Verwendung von fünf verschiedenen Nanoflüssigkeiten durchgeführt, nämlich Al2O3–H2O, Kupferoxid (Cuo–H2O), Titanoxid (TiO2–H2O), Eisenoxid (Fe3O4–). H2O) und Silber (Ag–H2O). Es untersucht die Auswirkungen einer Wellenamplitude, der Reynoldszahl und des Volumenanteils verschiedener Nanoflüssigkeiten. Wenn Wasser als Kühlmittel verwendet wird, wird die Kühleffizienz herkömmlicher rechteckiger Minikanäle durch den wellenförmigen Minikanal-Kühlkörper übertroffen. Darüber hinaus gilt: Je größer die Amplitude eines Wellenkanals, desto geringer ist der thermische Widerstand, der zu einem zusätzlichen Druckabfall führt. In dieser Forschung wurde die Leistung von fünf Arten von Nanoflüssigkeiten untersucht. Sie alle weisen im Vergleich zu destilliertem Wasser eine bessere Kühlung auf und weisen die Existenz von Nanoflüssigkeiten auf, erhöhen jedoch den Druckabfall und den Reibungsfaktor. Das Ag-H2O-Nanofluid übertrifft alle anderen Nanofluide durch den höchsten Wärmeübertragungskoeffizienten und den niedrigsten thermischen Widerstand. Das Ersetzen des herkömmlichen Kanals durch einen wellenförmigen Kanal in einem Kühlkörper führt zu einer Steigerung der Nusselts-Zahl um 28–52 %.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

Amplitude der Welle

Spezifische Wärme bei konstantem Druck (KJ/kg K)

Hydraulischer Durchmesser (m)

Fanning-Reibungsfaktor

Wärmeübertragungskoeffizient (W/km2)

Höhe des Kanals und Kanals

Wärmeleitfähigkeit (W/m·K)

Länge des Kühlkörpers (m)

Wellenzahl

Nusselt-Zahl

Prandtle-Nummer

Eintrittsgeschwindigkeit (m/s)

Druckabfall (Pa)

Druck (Pa)

Wärmestrom (W/cm2)

Gesamter Wärmestrom

Gesamtwärmewiderstand (K/W)

Reynolds Nummer

Dicke des Kühlkörpers

Temperatur (K)

Strömungsgeschwindigkeit (m/s)

Breite des Kühlkörpers und Kanals

Horizontaler und vertikaler Abstand (m)

Die kartesischen Koordinaten (m)

Dynamische Viskosität (kg s/m)

Dichte (kg/m3)

Volumenanteil der Nanopartikel

Kanal

Finite-Volumen-Methode

Flüssigkeit

Einlass

Nanoflüssigkeit

Solide Domäne

Feste Partikel

Maximal

Leitung

Konvektion

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Referenzen herunterladen

College of Engineering, Abteilung Maschinenbau, Universität Babylon, Babylon City, Irak

Zahra H. Sadon, Farooq H. Ali und Hameed K. Hamzah

Abteilung für Klima- und Kältetechniktechnik, Al-Mustaqbal University College, Babylon, 51001, Irak

Azher M. Abed

Fakultät für Maschinenbau, Ferdowsi-Universität Mashhad, Mashhad, Iran

M. Hatami

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Alle Autoren trugen zum meathematischen Teil, zur Modellierung, zum Schreiben und zur Analyse der Ergebnisse bei.

Korrespondenz mit M. Hatami.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Saadoon, ZH, Ali, FH, Hamzah, HK et al. Verbesserung der Leistung von Minikanal-Kühlkörpern durch Verwendung von Wellenkanälen und verschiedenen Arten von Nanoflüssigkeiten. Sci Rep 12, 9402 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-13519-0

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Eingegangen: 10. Februar 2022

Angenommen: 25. Mai 2022

Veröffentlicht: 07. Juni 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-13519-0

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