Numerical Investigation Of Dimensional Influences For Pressure Drop And Heat Transfer Augmentation İn Microchannels

Abstract

Recently, with the development of technology, the size of the devices has been shrinked. One the best examples of this situation is the minimizing of computers and hardware components. With the shrinkage of parts, the problem of overheating becomes an even more serious problem because of local hot spots on devices. One of the many methods that can overcome this problem is microchannel. In this thesis, in order to obtain influences of geometric modifications on heat transfer enhancement and fanning friction factor in microchannels, particular models are investigated numerically by using many different cases. There are 5 main models. Also, each model includes 9 sub-cases and diverse wall structures. Walls have a special sinusoidal function. In order to draw sub-cases of the numerical investigation, Solidworks program was used. Also, ANSYS Design Modeler and Mesh programs were used in order to prepare sub-cases for analyses. ANSYS Fluent CFD was used for solving momentum, continuity and energy equations. SIMPLEC algorithm was used with second order discretization. Furthermore, the residuals are selected 10-4 for continuity and momentum equations also chosen 10-7 for energy equations. Different influences were investigated in various designed 5 models. Shortly, Model 1 has only the reentrant cavities, therefore boundary layer interruption is targeted phenomena. Because of the reentrant cavities, sudden expansions occur and velocity gradients dramatically reduce, so values of wall shear which is related to fanning friction decrease significantly. In spite of Model 1, there are not only cavities but also ribs in Model 2. By virtue of these structures, sudden expansion and contraction ensue therefore increment in pressure drop and fanning friction factor are expected. Model 3 has wavy wall structure also cross-section is constant along the channel. In this model, the reentrant cavities and ribs are arranged in sync. Unlike Model 1, the reentrant cavities are collocated unsymmetrically in Model 4. Finally, Model 5 has only the reentrant ribs which are arranged unsymmetrically. Therefore, these ribs behave in the flow area as obstacles which increase fanning friction factor. Throughout the master thesis, a special code was used in order to categorize sub-cases and increase comprehensibility. Each model is symbolized as M1, M2, M3, M4 and M5. Besides, there are 3 different sinusoidal function which have 3 various frequencies, so these functions are denoted as F1, F2 and F3. Moreover, in order to indicate 3 diverse aspect ratios, AR1/3, AR1 and AR3 were used. For example, when M2_F3_AR1 is declared, that the sub-case has features of Model 2, third function and aspect ratio which is 1 must be understood. Before starting analyses of models, with using M2_F3_AR1, mesh independence study was conducted in order to find optimum mesh structure. After solutions, Nusselt number and friction factor were calculated in order to compare the straight ones. Nusselt number depends on Pr, Re and geometric structure, therefore in order to find influences of geometric structure , correction coefficient which include Pr and Re, was applied to straight channels. This operation was made for friction factor because friction factor is related to Re. After all, Nu/Nuo* and f/fo* were gained with PEC number. However, in order that Nu values are valid, x+ values must be calculated and known. Because, Nu value is related to thermal-entry length and when x+ is calculated as 1, Nusselt Number which is calculated gives developed value at thermally fully developed flow. In the results section, with using vertical and central horizontal planes were taken from sub-cases. existence of recirculation zones was noticed while frequency were high such as F3. Also, longitudinal and dean vortices were found in vertical planes. To sum up, M2_F2_AR1 was found as the best channel from amon

Son zamanlarda, teknolojinin gelişmesiyle birlikte, elektronik cihazların boyutlarında küçülmeler olmuştur. İnsanların sosyal hayat ve iş yaşamında kullandığı cihazların, kompakt hale getirilmesine dair çalışmalar her zaman temel uğraş konularından biridir. Bu durumun en güzel örneklerinden birisi de bilgisayalar ve donanım parçalarının boyutlarının düşürülmesidir. Parçaların küçültülmesiyle birlikte, cihazlardaki bölgesel sıcak noktalar ile aşırı ısınma olayı daha da ciddi bir problem haline gelmiştir. Bu problemin üstesinden gelmek için kullanılabilecek yöntemlerden birisi mikrokanallardır. Bu tez çalışmasında, ısı transferinin iyileştirilmesi ile basınç düşüşü arasında denge kurabilen bir model geliştirmek amacı ile geometrik değişikliklerin oluşturulduğu 45 alt model tasarlanmıştır ve sayısal analizler, sonlu hacimler metodu kullanan ANSYS Fluent CFD programı ile gerçekleştirilmiştir. Bu modellerin hepsi aynı alanı soğutacak şekilde tasarlanmıştır, böylece tüm modellerde sabit taban alanı mevcuttur. Beş temel model her biri dokuz alt modele sahip olacak şekilde gruplandırılmıştır. Tez çalışmasında, oluşturulan modeller için analizlere başlamadan önce, literatürde seçilmiş bir çalışmanın belli değerleri ile doğrulama gerçekleştirilmiştir. Basınç düşüşü ve sıcaklık dağılımının karşılaştırıldığı bu doğrulama çalışmasında, dört farklı ağ yapısı kullanılarak optimum ağ yapısı oluşturulmuştur. Matematik model olarak konjugat bir kanal seçilip hem ısı iletimi hem ısı transferinin etkileri dikkate alınmıştır. Sadece tabandan 20 W/cm2 ısı akısı verilerek diğer duvar yüzeylerinde ısı yalıtımı olduğu kabulü yapılmıştır. Her alt modelin kanal yapısının ilk 7 mm'si düz olup, burada akışın hidrolik olarak gelişmesi istenmiştir. Kanalların 7 mm ile 9.513 mm'si arasında değişiklikler yapılmış ve bu bölge için özel bir hacim oluşturulmuştur. Hesaplamalar yalnızca bu hacim içinde yapılıp düz kanal etkilerinden arındırılmaya çalışılmıştır. Fluent analiz paketinde, algoritma olarak SIMPLEC seçilmiş ve diferansiyel denklemler ikinci dereceden çözdürülmüştür. Analizde, artık değerler (residuals), süreklilik, x, y ve z yönünde momentum denklemleri çözümü için 10-4 ancak enerji denklemleri için 10-7 olarak seçilmiştir. Bu değerler literatürde yapılan akademik çalışmalar göz önüne alınarak hassasiyeti artırmak için düşük seçilmiştir. Tasarlanmış 5 farklı modelde, farklı etkiler araştırılmıştır. Model 1, içinde yalnızca oyukların bulunduğu ve sınır tabakanın kesintiye uğratılması hedeflenen bir yapıdır. Bu yapıda ani genişlemeler belirli bölgelerde hız gradyenlerin dikkate değer şekilde düşmesine sebep olmakta ve Reynolds sayılarını düşürmektedir. Model 2, hem oyukların hem de çıkıntıların (rib) olduğu daralmanın ve genişlemenin gözlemlendiği bununla birlikte yüksek basınç düşüşlerinin olduğu, sürtünme faktörünün yüksek çıkması beklenen bir modeldir. Model 3, dalgalı (wavy) kanal olarak literatürde yer bulan, akışın enine kesitinin sabit olduğu aynı anda hem oyuğun hem çıkıntının olduğu bir yapıya sahiptir. Model 4, Model 1'e benzemekte olup simetrik olmayan oyuklara sahip bir kanal modelidir. Son olarak Model 5, Model 4'ün tam tersi olup simetrik olmayan oyuklar yerine yine simetrik olmayan çıkıntılar bulundurmaktadır. Tez boyunca bir kodlama sistemi oluşturulmuştur. Her bir model M1, M2, M3, M4 ve M5 koduyla gösterilmiştir. Bunun yanı sıra her bir modelin alt modelini oluşturmak için 3 farklı frekansa sahip sinüs fonksiyonları kullanılmıştır. Bunlarda F1, F2 ve F3 olarak gösterilmiştir. Bir diğer farklılık olarak oluşturulan farklı en-boy oranları için AR1/3, AR1 ve AR3 olarak gösterim yapılmıştır. Yani M2_F1_AR1 dendiğinde, 2. modelin 1 numaralı fonksiyonuna sahip en-boy oranı 1 olan bir alt model anlaşılmalıdır. Yukarıda anlatılan bütün modellerin alt modelleri Solidworks 2018 programında çizilip tasarlanmış ve daha sonra analize uygun hale getirmek için ANSYS Design Modeler programında çalışmalar yapılmıştır. Analizlere başlamadan önce uygun matematiksel ağ yapısının (mesh) seçilebilmesi için ağ atılması en zor olabilecek model olan M2_F3_AR1 modeli seçilerek beş farklı ağ yapısı uygulanmıştır. Bu çalışmada kullanlan farklı ağ yapıları kullanılan modellerin analizi yapılıp basınç düşüşleri incelenmiştir. En ince ağ yapısına sahip modele, en yakın hata oranında olan ve hız açısından daha hızlı olan optimum olduğu düşünülen ağ yapısı (Mesh 2) seçilmiştir. Seçilen bu ağ yapısı bütün alt modellere uygulanarak 45 alt model analize uygun hale getirilmiştir. Bununla beraber 3 farklı en-boy oranına sahip düz kanallar da aynı ağ yapısıyla analiz edilmiştir. Bütün alt modeller ve düz kanallar için seçilmiş hacimde Nusselt sayıları ve sürtünme faktörleri hesaplanmıştır. Ancak bu sonuçlar doğrudan kıyaslamak için uygun değildir. Çünkü düz ile değişime uğramış aynı en-boy oranına sahip kanalların Prandtl ve Reynolds sayıları aynı değildir. Bilindiği üzere Nusselt sayısı Pr, Re ve geometrik yapının bir fonksiyonudur. Sadece geometrik yapının etkisini görmek için düz kanalların her birisi için düzeltme faktörü kullanılmalıdır. Bu durum Re sayısına bağlı olan sürtünme faktörü içinde geçerlidir. Her alt model, kendi en-boy oranına sahip düz kanalla kıyaslanarak Nu/Nuo* , f/fo* ve PEC değerleri bulunur. PEC değeri içerisinde hem Nusselt oranını hem de sürtünme faktörü oranını içerdiği için optimum kanalı bulmamızda bir performans değerlendirme göstergesidir. Unutulmamalıdır ki, hesaplanan Nu değerleri tek başlarına yeterli bir gösterge değildir. x+ değerleri de bilinmelidir. Bu yüzden bütün kanallarda 7. mm de x+ değerleri hesaplanmış olup, termal açıdan tam gelişmişliğe olan uzaklık belirtilmiştir. Analizler sonunda, seçilen alt modellerde yatay ve dikey kesitler alınarak akış karakteristiği araştırılmıştır. Yatay kesitlerde en çok karşılaşılan problem devirdaim (recirculation) alanlarıdır. Bu bölgelerde akış çok yavaş hatta durma noktasına gelmektedir. Akışın bu denli yavaş olması taşınımla ısı transferinin düşmesine sebep olmaktadır, bu durumun Nusselt sayısını etkilediği görülmektedir. Alınan dikey kesitlerde eksenel girdaplar ve Dean girdapları bazı yapılarda karşımıza çıkmaktadır. En boy oranı düştükçe Dean girdapları daha belirgin hale gelmektedir. Bu belirtilen girdaplar akışta bir karıştırıcılık görevini üstlenmekte ve sıcak ile soğuk akışkanı birbirine karıştırmaktadır. Sonuçlara bakıldığında, Nusselt sayısının yüksek çıktığı alt modellerde aynı zamanda sürtünme faktörlerinin de yüksek çıkması sebebiyle PEC değerlerinin düştüğü gözlenmektedir. Bu durum ısı transferi açısından iyileştirmenin sağlandığını ancak sürtünme faktörünün artmasıyla maliyeti artıran bir yöntem olduğunu göstermektedir. M2_F2_AR1 modelinin hesaplanan PEC değeri 1.18'dir ve diğer kanallarınkinden yüksektir. Bu yüzden M2_F2_AR1 modelinin %18 iyileştirmeye olanak sağlamasından dolayı bu problemde kullanılması tavsiye edilmektedir.