Численное исследование влияния формы радиатора на теплообмен в системе, содержащей парафин


Авторы

Бондарева Н. С.*, Шеремет М. А.*

Национальный исследовательский Томский государственный университет, пр. Ленина, 36, Томск, Томская обл., 634050, Россия

*e-mail: bondarevans@mail.tsu.ru

Аннотация

На сегодняшний день актуальность задач тепломассопереноса в материалах с фазовыми переходами тесно связана с использованием таких материалов в системах температурного контроля и хранения энергии. Высокая производительность электронных устройств требует создания систем охлаждения с высокой теплорассеивающей способностью. Для поддержания рабочих температур в современной радиоэлектронной аппаратуре используются радиаторы, частично или полностью погруженные в парафин. Парафины имеют высокую скрытую энергию плавления и температуры фазового перехода, близкие к рабочим температурам процессоров. Процесс теплопереноса при плавлении сопровождается возникновением естественных конвективных токов в расплаве и усложняется взаимодействием циркуляционных течений с движущейся границей и сложной формой ребристого профиля. Экспериментальным путем сложно оценить вклад сил плавучести и отследить движение межфазной границы, в то время как численное моделирование процесса позволяет получить более детальную картину тепловых процессов, происходящих в системе. В настоящей работе проведено двумерное численное исследование системы теплоотведения на основе энергии фазовых превращений, усиленной медным радиатором с прямоугольным оребрением. Математическая модель нестационарного процесса тепломассопереноса сформулирована в преобразованных переменных «функция тока — завихренность — температура». Скрытая теплота плавления учтена в уравнении энергии путем введения сглаживающей функции φ. Такой подход позволил решать одно уравнение энергии во всей области, не выделяя межфазную границу. Полученные дифференциальные уравнения решены методом конечных разностей. В результате вычислений получены и проанализированы термогидродинамические характеристики исследуемого процесса на разных стадиях плавления в зависимости от частоты расположения ребер. Получены тепловые картины процесса в различные моменты времени, которые отражают движение фазовой границы, образование и расширение подъемно-опускных конвективных течений. Проанализировано изменение среднего числа Нуссельта на поверхности профиля в зависимости от количества ребер, а также влияние основные факторов, таких как интенсивность течения и скорость плавления, на коэффициент теплоотдачи. Проведена оценка влияния расположения ребер на формирование температурных факелов. Было показано, что естественная конвекция и ее взаимодействие с радиатором играют большую роль в процессе плавления и значительно влияют на интенсивность теплоотведения.

Ключевые слова

плавление, естественная конвекция, радиатор, парафин

Библиографический список

  1. Sakanova A. Heat transfer enhancement of perforated pin heat sink in future aircraft applications // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 124. pp. 315–326.

  2. Feng S., Shi M., Yan H., Sun S., Li F., Lu T.J. Natural convection in a cross—fin heat sink // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 132. P. 30–37.
  3. Effendi N.S., Kim K.J. Orientation effects on natural convective performance of hybrid fin heat sinks // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 123. P. 527–536.
  4. Kandlikar S.G., Hayner C.N. Liquid cooled cold plates for industrial high-power electronic devices—thermal design and manufacturing considerations // Heat Transfer Engineering. 2009. V. 30. N 12. P. 918–930.
  5. Sahoo S.K., Rath P., Das M.K. Numerical study of phase change material based orthotropic heat sink for thermal management of electronics components // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2016. V. 103. P. 855–867.
  6. Soleimanikutanaei S., Ghasemisahebi E., Lin C.—X. Numerical study of heat transfer enhancement using transverse microchannels in a heat sink // International Journal of Thermal Sciences. 2018. V. 125. P. 89–100.
  7. Chein R., Chen J. Numerical study of the inlet/outlet arrangement effect on microchannel heat sink performance // International Journal of Thermal Sciences. 2009. V. 48. P. 1627–1638.
  8. Şimşek E., Coskun S., Okutucu-Özyurt T., Unalan H.E. Heat transfer enhancement by silver nanowire suspensions in microchannel heat sinks // International Journal of Thermal Sciences. 2018. V. 123. P. 1–13.
  9. Shang B., Ma Y., Hu R., Yuan C., Hu J., Luo X. Passive thermal management system for downhole electronics in harsh thermal environments // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 118. P. 593–599.
  10. Zhao L., Xing Y., Wang Z., Liu X. The passive thermal management system for electronic device using low-melting-point alloy as phase change material // Applied Thermal Engineering. 2017. V. 125. P. 317–327.
  11. Baby R., Balaji C. Experimental investigations on phase change material based finned heat sinks for electronic equipment cooling // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2012. V. 55. P. 1642–1649.
  12. Baby R., Balaji C. Thermal performance of a PCM heat sink under different heat loads: An experimental study // International Journal of Thermal Sciences. 2014. V. 79. P. 240–249.
  13. Jaworski M. Thermal performance of heat spreader for electronics cooling with incorporated phase change material // Applied Thermal Engineering. 2012. V. 35. P. 212–219.
  14. Fok S.C., Shen W., Tan F.L. Cooling of portable hand-held electronic devices using phase change materials in finned heat sinks // International Journal of Thermal Sciences. 2010. V. 49. P. 109–117.
  15. Dhaidan N.S., Khodadadi J.M. Melting and convection of phase change materials in different shape containers: A review // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015. V. 43. P. 449–477.
  16. Гурин А.М., Ковалев О.Б. Моделирование многовихревой конвекции мелкодисперсных легирующих компонентов в ванне расплава под действием лазерного излучения // Теплофизика и аэромеханика. 2013. Т. 20. № 2. С. 229–238.
  17. Shatikian V., Ziskind G., Letan R. Numerical investigation of a PCM—based heat sink with internal fins: Constant heat flux // International Journal of Heat and Mass Transfer. 2008. V. 51. P. 1488–1493.
  18. Kozak Y., Abramzon B., Ziskind G. Experimental and numerical investigation of a hybrid PCM—air heat sink // Applied Thermal Engineering. 2013. V. 59. P. 142–152.
  19. Бондарева Н.С., Шеремет М.А. Математическое моделирование режимов плавления в квадратной полости с локальным источником энергии // Теплофизика и аэромеханика. 2016. Т. 23. № 4. С. 577–590.
  20. Самарский А.А., Вабищевич П.Н. Вычислительная теплопередача. М.: Едиториал УРСС, 2003. 784 с.
  21. Bondareva N.S., Sheremet M.A. Flow and heat transfer evolution of PCM due to natural convection melting in a square cavity with a local heater // International Journal of Mechanical Sciences. 2017. V. 134. P. 610–619.
  22. Численные исследования естественно-конвективных течений затвердевающей жидкости / Под науч. ред. докт. физ.-мат. наук В. Ф. Стрижова // Труды ИБРАЭ РАН / Под общей ред. чл.-кор. РАН Л. А. Большова. Вып. 2. М: Наука, 2007. 190 с.
  23. Belhamadia Y., Kane A.S., Fortin A. An enhanced mathematical model for phase change problems with natural convection // International Journal of Numerical Analysis and Modeling, Series B. 2012. V. 3. N 2. P. 192–206.




Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2018-2024