Numeryczne modelowanie przeplyw

1
Numeryczne modelowanie przeplywów laminarnych w
mikrokanalach
Institut National Polytechnique de
Grenoble Department of Fluid and Mechanical
Engineering Laboratory of LEGI
Technical University of Czestochowa Institute of
Thermal Machinery
Mgr inz. Mariusz Niklas
Prof. Michel Favre-Marinet
2
Mikrokanaly
Zastosowanie przede wszystkim do chlodzenia
ukladów elektronicznych
Zalety - duzo wiekszy wspólczynnik wymiany
ciepla w porównaniu z ukladami
konwencjonalnymi - mozliwosc budowy ukladów
chlodzenia zintegrowanych z ukladami
elektronicznymi
Wady - zmniejszanie srednicy hydraulicznej
powoduje zwiekszenie oporów
przeplywu oraz mozliwosc
wystapienia efektu skali
3
Geometria modelu eksperymentalnego
4
Liczba Poiseuille
Wspólczynnik tarcia Cf
Naprezenia styczne
Spadek cisnienia
5
Wyniki eksperymentu
6
Ustawienia
Czynnik woda
Opcje przeplywu - przeplyw laminarny -
ustalony - izotermiczny - niescisliwy
7
Przeplyw przez pojedynczy kanal
Geometria pojedynczego kanalu
a 215 ?m h 150 ?m L 15 mm Dh110?m

• Obliczenia przeprowadzone zostaly w trzech
  krokach
• Pierwszy dla przeplywu w pelni rozwinietego
• Drugi dla przeplywu z efektem wejsciowym
• Trzeci dla przeplywu ze stratami lokalnymi

8
Przeplyw w pelni rozwiniety dla pojedynczego
kanalu.
Calculations Literature
h/a ratio 0.68 h/a ratio 0.714
Po 13.3 Po 13.311
9
Pole predkosci dla przeplywu z uwzglednieniem
efektu wejsciowego.
10
Wyniki obliczen dla przeplywu z uwzglednieniem
efektu wejsciowego.
11
Model i obliczenia dla przeplywu z uwzglednieniem
strat w obszarze wlotu.
12
Wyniki obliczen dla przeplywu z uwzglednieniem
strat lokalnych w obrebie wlotu do mikrokanalu.
13
Przeplyw przez system kanalów

• Dwa modele systemu kanalów zostaly zbadane
• Model uproszczony. Model ten sklada sie z 27
  mikrokanalów polaczonych poprzez kanal
  dystrybucyjny i kanal kolektorowy.
• Model odzwierciedlajacy uklad rzeczywisty.

14
Uproszczony model systemu kanalów
Triangular microchannels Hydraulic diameter Dh110?m
Triangular microchannels Length of the microchannel L18,4mm
Distribution channel Collector channel High of channel hdc188?m
Distribution channel Collector channel Width of channel adc800?m
Distribution channel Collector channel Length of channel on one section Ldc364?m
15
Wyniki obliczen dla przeplywu przez uproszczony
model ukladu.
16
Cisnienie w kanale dystrybucyjnym i w kanale
kolektorowym.
17
Kontury skladowej predkosci w kierunku osi Z w
kanale dystrybucyjnym. Re190
18
Kontury skladowej predkosci w kierunku osi Z w
kanale kolektorowym. Re190
19
Rzeczywisty model systemu kanalów
Triangular microchannels Hydraulic diameter Dh110?m
Triangular microchannels Length of the microchannel L18,4mm
Distribution channel Collector channel High of channel hdc188?m
Distribution channel Collector channel Width of channel adc800?m
Distribution channel Collector channel Length of channel on one section Ldc364?m
Mine inlet and outlet channel High of channel hdc188?m
Mine inlet and outlet channel Width of channel adc835?m
Mine inlet and outlet channel Length of channel Ldc1,5mm
20
Wyniki obliczen dla przeplywu przez rzeczywisty
model ukladu.
21
Cisnienie w dystrybutorze i w kolektorze dla Re
390
Cisnienie wzgledem plaszczyzny symetrii calego
ukladu. Re390
22
Obraz pola predkosci w obszarze wlotu. Re390
Kontury skladowej predkosci w kierunku osi Z
23
Obraz pola predkosci w obszarze wylotu. Re390
Contours of velocity magnitude on outflow region
Contours of X-velocity component on outflow region
24
Srednia predkosc w poszczególnych kanalach.
Re 195
Re 390
25
Udzial poszczególnych zjawisk w calkowitej
stracie cisnienia w funkcji liczby Re.
26
Wnioski

• Dla zadanej geometrii ukladu mikrokanalów nie
  wystepuje efekt skali.
• Wyniki symulacji numerycznych wykazaly, ze
  stosunkowo duze opory przeplywu w ukladzie
  spowodowane sa przez niewlasciwa geometrie. Mozna
  wyróznic trzy zasadnicze efekty zwiazane z
  geometria ukladu
• Przeplyw w kanale kolektorowym. Przyczyna strat
  cisnienia w tym kanale sa zaklócenia spowodowane
  przez strugi wyplywajace z mikrokanalów.
• Oderwanie warstwy w obrebie wlotu do kanalu
  dystrybucyjnego i wystapienie przeplywu zwrotnego
  w tym obszarze.
• Oderwanie warstwy w obrebie wylotu z kanalu
  kolektorowego i wystapienie przeplywu zwrotnego w
  tym obszarze.

27
Accuracy of the computation in the real complete
system
Residuals for the case with 600000 volumes
The pressure changes in chosen points of the
model for the case with 600000 volumes
28

The pressure distribution in distributor and
collector channels for the cases with 900000
volumes, 600000 volumes and with 300000volumes
The differences between distribution of pressure
in distributions collector channel for all cases
(900000, 600000, 300000 volumes) are very
small. The difference between the pressure total
drop for system with 900000 of volumes and for
system with 300000 volumes is less than 3.