فهرست مطالب عنوان صفحه فصل 1: مقدمه 11-1- پیشگفتار 21-2- نحوه ساخت میکروکانال 51-3- توصیف مسأله 81-4- اهداف پایان نامه 11فصل 2: مروری بر تحقیقات گذشته 12فصل 3: اختلاط در ابعاد کوچک 283-4- میکروکانالهای پره دار به عنوان ريزمخلوط‌کن‌ها 34فصل 4: معادلات حاکم 384-1- مقدمه 394-2- تولید شبکه 404-3- معادلات حاکم 424-4- شرایط مرزی 43عنوان صفحه فصل 5: نتایج 465-1- معرفی هندسه مسأله 475-2- مطالعه شبکه 515-3- همگرایی 545-4- سنجش صحت نتایج برای چاه حرارتی 55میکروکانالی پره دار با فرض دائمی بودن جریان5-5- نتایج به دست آمده برای چاه حرارتی 58میکروکانالی پره دار با فرض دائمی بودن جریان5-5-1- انتقال حرارت در میکروکانال چاه حرارتیcm² 2×1 585-5-2- انتقال حرارت در چاه حرارتیcm² 1×1 655-6- نرخ تولید انتروپی در چاه حرارتی میکروکانالی 735-7- بررسی رفتار غیر دائمی جریان در چاه حرارتی میکروکانالی پره دار 765-7-1- سنجش صحت نتایج برای حل زمانمند جریان 76حول یک استوانه دو بعدی5-7-2- نتایج به دست آمده برای چاه حرارتی میکروکانالی 79پره دار با فرض ناپایدار و دو بعدی بودن جریان5-7-3- سنجش صحت نتایج برای جریان سه بعدی زمانمند حول یک استوانه 825-7-4-نتایج به دست آمده برای چاه حرارتی میکروکانالی پره دار 87با فرض ناپایدار و سه بعدی بودن جریان5-8- نتایج برای اختلاط مایعات در میکروکانالها 885-8-1- صحه گذاری نتایج عددی حاضر برای اختلاط مایعات در میکروکانالها 885-8-2- نتایج به دست آمده برای اختلاط در میکروکانالها 89فصل 6: جمع بندی و پیشنهادات 976-1-جمع بندی98عنوان صفحه 6-2-پيشنهادات99مراجع 100 فهرست شکل ها شکل 1-1: یک سطح مقطع از میکروکانال تولید شده به روش میکرو-ماشینکاری 5شکل 1-2: طرحی از شکل مقطع چند لایه شده در سیلیکن 6شکل 1-3: برجستگی های ایجاد شده روی پره های توربین گازی 7به روش LIGA برای افزایش خنک کاریشکل 1-4: چاه حرارتی میکروکانالی با توزیع پره های 8مورب °45 بدون پوشش بالاییشکل 1-5: چاه حرارتی با چیدمان مورب °45 میکروپره های 9استوانه ایبدون پوشش بالاییشکل 1-6: چاه حرارتی با چیدمان یک در میان از میکروپره های 9استوانه ایبدون پوشش بالاییشکل 2-1: میکروکانال با هندسه بهینه شده [12] 15شکل 2-2: نمایی از هندسه مورد مطالعه[13]15شکل 2-3: میکروکانالهای موجود در مبدلهای حرارتی[16]17شکل 2-4: میکروکانال ها با سطح مقطع مختلف[17]17شکل 2-5: شیارهای مستطیلی و کمانی شکل [18] 18شکل 2-6: (الف) نمای سه بعدی از چاه حرارتی میکروکانالی [19] 19(ب) نمای بالایی هندسه بررسی شده با چیدمان پره های یک در میانشکل 2-7: میکروکانال بررسی شده توسط پلس و همکاران [20] 20شکل 2-8: نمایی از مدلسازی زبری ها به صورت مخروط [24] 22 شکل 2-9: نمایی از پره های مستطیلی شکل در بستر کانال [25] 22شکل 2-10: نمایی از پره های S شکل در بستر کانال [27] 23شکل 2-11: میکروکانال های شیاردار[3] 24شکل 2-12: میکروکانال های دارای میکرو پره های استوانه ای [3] 24شکل 2-13: الگوی جریان برای مقادیر مختلف عدد رینولدز [29] 25شکل 2-14: نمایی از شیارهای جناغی شکل در کف میکرومیکسرها [30] 25شکل 2-15: نمایی از یک میکسر با شیارهای جناغی و نسبت منظری بالا [31] 26شکل 2-16: نمایی از میکرومیکسر طراحی شده توسط چن و همکاران [34] 27شکل 3-1: ريزمخلوط‌کن‌هاي غيرفعال از نوع Y (سمت راست) و T (سمت چپ) 32شکل 3-2: يک ريزمخلوط‌کن از نوع چند لايه‌اي به نام ريزمخلوط‌کن دايره‌اي 33شکل 3-3: دو نمونه ريزمخلوط‌کن با ساختار داخلي خاص 33شکل 3-4: يک طرح شماتيک از تزريق يک سيال در سيال دوم 34به منظور انجام عمل اختلاطشکل3-5: نقاط کارکرد ريزمخلوط‌کن‌هاي معمولي 35شکل 3-6: نقاط کارکرد ريزمخلوط‌کن‌های بررسی شده در تحقیق حاضر36شکل 4-1: نمای سه بعدی از شبکه های مستطیلی منظم تولید شده 41شکل 4-2: نمای سه بعدی از شبکه های مستطیلی نا منظم تولید شده 41شکل 4-3: نمای سه بعدی از شبکه های مثلثی نامنظم تولید شده 42شکل 4-4: دامنه محاسباتی جریان 44شکل 5-1: (الف) نمایی از کل چاه حرارتی میکروکانالی 1×1 سانتی متر مربع 48(ب) چاه حرارتی میکروکانالی با توزیع پره های مورب °45 بدون پوشش بالایی(ج) قسمتی از ناحیه محاسباتی میکروکانال پره دار. عنوان صفحه شکل 5-2: (الف) نمایی از کل چاه حرارتی 1×1 سانتی متر مربع 49(ب) چاه حرارتی با چیدمان °45 میکروپره های استوانه ایبدون پوشش بالایی(ج) قسمتی از ناحیه محاسباتی چاه حرارتی پره دار.شکل 5-3: (الف) نمایی از کل چاه حرارتی 1×1 سانتی متر مربع 50(ب) چاه حرارتی با چیدمان یک در میان از میکروپره های استوانه ایبدونپوشش بالایی (ج) قسمتی از ناحیه محاسباتی چاه حرارتی پره دار.شکل 5-4: نمودار تغییرات شار حرارتی بر حسب اندازه شبکه در چاه حرارتی 52با چیدمان مایل از پره های کوتاه و بلند و ارتفاع mµ 500 میکروکانالشکل 5-5: نمودار تغییرات افت فشار بر حسب اندازه شبکه در چاه حرارتی 52با چیدمان مایل از پره های کوتاه و بلند و ارتفاع mµ 500 میکروکانالشکل 5-6: نمودار تغییرات شار حرارتی بر حسب اندازه شبکه 53در میکروکانال چاه حرارتی بهینه شدهشکل 5-7: نمودار تغییرات افت فشار بر حسب اندازه شبکه 53در میکروکانال چاه حرارتی بهینه شدهشکل 5-8: نمودار تغییرات شار حرارتی بر حسب اندازه شبکه 54در چاه حرارتی با چیدمان یک در میان پره هاشکل 5-9: نمودار تغییرات افت فشار بر حسب اندازه شبکه 54در چاه حرارتی با چیدمان یک در میان پره هاشکل 5-10: (الف) چاه حرارتی با چیدمان یک در میان 56از میکروپره های استوانه ایبدون پوشش بالایی (ج) نمای نزدیکتر از چاه حرارتی پره دار [4]شکل 5-11: مقایسه نتایج حل عددی با داده های تجربی پلس و کوسر[4] 57برای) ( Tave - Tinبر حسب شار حرارتی در اعداد رینولدز مختلف عنوان صفحه شکل 5-12: مقایسه نتایج حل عددی با داده های تجربی پلس و کوسر[4] 58برای افت فشار بر حسب دبی حجمیشکل 5-13: نمایی از میکروکانال چاه حرارتی با چیدمان 59پره های مایل ارائه شده توسط کندلیکار و گرند [3]شکل 5-14: مقایسه شار حرارتی بین میکروکانال ساده با میکروکانال ها 60در حالات مختلف میکروپره ها، Ts= 85° C Re= 387.شکل 5-15: مقایسه سرعت در جهت X بین میکروکانال ساده 61و پره دار در Re= 387.شکل 5-16: مقایسه دما در جهت X بین میکروکانال ساده 62و پره دار در Re= 387, Tin=15° C, Ts= 85° C.شکل 5-17: مقایسه فاکتور اصطکاک بین میکروکانال ساده با 63میکروکانالها در حالات مختلف میکروپره ها،Ts= 85° C, Re= 387.شکل 5-18: مقایسه ضریب عملکرد بین میکروکانال ساده با میکروکانالها 64در حالات مختلف میکروپره ها،Ts= 85° C, Re= 387شکل 5-19: مقایسه شار گرمایی بر حسب توان پمپاژ چاه حرارتی و چاه حرارتی 66میکروکانالی با چیدمان یکسان از ردیفهای مایل پره ها و سه ارتفاع متفاوت میکروکانالشکل 5-20: مقایسه شار گرمایی بر حسب توان پمپاژ در میکروکانال چاه حرارتی 67پره دار با سه الگوی توزیع ارتفاعات متفاوت پره هاشکل 5-21: مقایسه شار گرمایی بر حسب توان پمپاژ در چاههای حرارتی مختلف 68شکل 5-22 مقایسه شار گرمایی بر حسب دبی جرمی کل در چاههای حرارتی مختلف 69شکل 5-23: خطوط مسیر بر حسب مقدار سرعت در میکروکانال چاه حرارتی با 70ردیف پره های مایل و ارتفاع کانال mµ 90با سرعت ورودی 55/2 متر بر ثانیه عنوان صفحه شکل 5-24: نمایش کانتور سرعت در جهت x در صفحه y = 200 µmاز 71میکروکانال چاه حرارتی با ردیف پره های مایل و ارتفاع کانال mµ 500در توان پمپاژ 2 وات با سرعت ورودی 62/2 متر بر ثانیهشکل 5-25: کانتور دما در پره ها و پایه میکروکانال چاه حرارتی 72با ردیف پره های مایل و ارتفاع کانال mµ 500در توان پمپاژ (A) 05/0 وات با سرعتورودی 625/0 متر بر ثانیه (B) 5/0 وات با سرعت ورودی 54/1 متر بر ثانیه(C)2 واتبا سرعت ورودی 62/2 متر بر ثانیهشکل 5-26: نمودار نرخ تولید انتروپی برای چاه حرارتی 73میکروکانالی cm2 2×1 با دبی جرمی ثابت.شکل 5-27: نمودار نرخ تولید انتروپی برای چاه حرارتی 74میکروکانالی cm2 1×1 با توان پمپاژ یکسان.شکل 5-28: نمودار نرخ تولید انتروپی بی بعد برای چاه حرارتی 75میکروکانالی cm2 2×1 با دبی جرمی ثابت.شکل 5-29: نمودار نرخ تولید انتروپی بی بعد برای چاه حرارتی 75میکروکانالی cm2 1×1 با توان پمپاژ یکسان.شکل 5-30: (الف) شرایط مرزی و ناحیه محاسباتی دو بعدی قبل از ایجاد 77شبکه (ب) شبکه بندی ناحیه محاسباتی دو بعدی حل زمانمند اطراف استوانه دو بعدیشکل 5-31: نوسانات ضریب پسا و برا با زمان در Re=300 و 78در نقطه ای پشت استوانه دو بعدی (x=2.85) ارائه شده توسط کالرو و تزدویار [53]شکل 5-32: نوسانات ضریب پسا (در جهت جریان) با زمان در Re=300 و 78در نقطه ای پشت استوانه دو بعدی (x=2.85)شکل 5-33: نوسانات ضریب برا (در جهت y) بر حسب زمان در Re=300 و 79در نقطه ای پشت استوانه دو بعدی (x=2.85) شکل 5-34: تغییرات عدد استروهال با عدد رینولدز برای ناحیه برگشتی پشت استوانه، 80داده های حاصل از مشاهدات تجربی و شبیه سازی های کامپیوتری جریان دو بعدی [54]شکل 5-35: (الف) نمایی از ناحیه محاسباتی چاه حرارتی میکروکانالی 81دو بعدی با چیدمان پره های مایل (ب) نمای نزدیک از شبکه بندی اطراف دایره ها در چاه حرارتی میکروکانالی دو بعدیشکل 5-36: نمودار شار حرارتی سطح بر حسب زمان 82برای حل دائمی و غیر دائمی در دو بعدشکل 5-37: نمایی از شبکه بندی ناحیه محاسباتی سه بعدی 83حل زمانمند اطراف استوانه [53]شکل 5-38:نوسانات ضریب پسا و برا با زمان در Re=300 و 83در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85) ارائه شده توسط کالرو و تزدویار [53]شکل 5-39:نوسانات سرعت در جهت های مختلف با زمان در Re=300 و 84در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85) ارائه شده توسط کالرو و تزدویار [53]شکل 5-40: نوسانات ضریب پسا (در جهت جریان) با زمان در Re=300 و 84در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85)شکل 5-41: نوسانات ضریب برا (در جهت y) بر حسب زمان در Re=300 و 85در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85)شکل 5-42: نوسانات u (در جهت x) بر حسب زمان در Re=300 و 85در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85)شکل 5-43: نوسانات v (در جهت y) بر حسب زمان در Re=300 و 86در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85)شکل 5-44: نوسانات w (در جهت z) بر حسب زمان در Re=300 و 86در نقطه ای پشت استوانه (x=2.85) عنوان صفحه شکل 5-45: نمودار نرخ انتقال حرارت سطحی بر حسب زمان برای 87حل دائمی و غیر دائمی در سه بعدشکل 5-46: هندسه بررسی شده توسط چن و لام [55] با ابعاد 88L=4.5cm, W=150 µm, b=20 µmشکل 5-47: نمودار غلظت در قسمت راست مقطع خروجی میکروکانال،89سرعت متوسط 1cm/s، ضریب نفوذ مولکولی D=10-6 (cm2/s).شکل 5-48:بازده اختلاط بر حسب طول در میکروکانالهای مختلف 90شکل 5-49: بازده اختلاط بر حسب عدد رینولدز در میکروکانالهای مختلف 91وصفحه x=4.45 میلیمترشکل 5-50: کانتور غلظت در طول میکروکانال پره دار با چیدمان یک در میان 91و (Vinlet=0.001(m/s.شکل 5-51: کانتور غلظت در طول میکروکانال پره دار با چیدمان یک در میان 92و Vinlet=1(m/s).شکل 5-52: (الف) کانتور غلظت در کل طول میکروکانال ساده بهینه 93با عدد رینولدز 08/0 (ب) کانتور غلظت در ابتدای میکروکانال ساده بهینه با عدد رینولدز 08/0شکل 5-53: (الف) کانتور غلظت در کل طول میکروکانال ساده بهینه 94با عدد رینولدز 80 (ب) کانتور غلظت در انتهای میکروکانال ساده بهینه با عدد رینولدز 80شکل 5-54: کانتور غلظت در طول میکروکانال پره دار با چیدمان یک در میان 95و ضریب نفوذ صفر با مقدار عدد رینولدز 0.08شکل 5-55: کانتور غلظت در طول میکروکانال ساده بهینه با ضریب نفوذ صفر 95و عدد رینولدز 0.08شکل 5-56: بازده اختلاط میکروکانال پره دار با چیدمان یک در میان 96و میکروکانال ساده بهینه بر حسب ضریب نفوذ در عدد رینولدز 08/0 فهرست جدول ها عنوان صفحه جدول 3-1: عدد رینولدز و عدد پکلت برای ریزمخلوط کن های 35بررسی شده در تحقیق حاضرجدول 4-1: خواص فیزیکی ماده خنک کن و فاز جامد 45جدول 5-1: ابعاد چاه حرارتی میکروکانالی 51جدول 5-2: ابعاد چاه حرارتی استفاده شده برای اعتبار سنجی نتایج 56جدول 5-3: ابعاد چاه حرارتی میکروکانالی با چیدمان پره های مایل59جدول 5-4: تعداد میکروپره ها برای حالات مختلف مطالعه شده59جدول 5-5: ابعاد چاه حرارتی میکروکانالی دو بعدی با چیدمان پره های مایل 81 فصل اول مقدمه 1-1- پیشگفتار یکیاز مسائل مهم در مهندسی مکانیک انتقال حرارت در مبدل های حرارتی و میکروکانال ها می باشد. امروزه با گسترش تکنولوژی نیاز به طراحی مبدلهای کارا یک امر ضروری محسوب می شود. این در حالیست که پیشرفتهای سریعی در طول دهه گذشته در زمینه تولید و استفاده از میکرو دستگاه های توان بالا صورت گرفته که این امر نیاز به بررسی جامع و دقیق جنبه های اساسی جریان سیال و انتقال حرارت در مقیاس میکرو را نشان می دهد و توجه بسیاری را به مسایل مکانیک سیالات در ابعاد میکرون معطوف کرده است. تمامی تلاش طراحان و محققان فعال در این زمینه افزایش تبادل حرارت و در نهایت بهبود بازده کل سیستم بوده است. از جمله اقداماتی که در این زمینه می توان انجام داد استفاده از سطوح داخلی و یا پره ها می باشد. پره ها سطح انتقال حرارت را افزایش داده و در نهایت چنانچه خوب طراحی شده باشند راندمان میکروکانالها را به طور چشمگیری می توانند افزایش دهند. پره ها کاربرد فراوانی در صنعت دارند که از آن جمله می توان به پره های موجود جهت خنک کردن پردازشگر کامپیوترها و قطعات الکترونیکی اشاره کرد. امروزه با پیشرفت روزافزون کامپیوترها و ورود پردازشگرهای قوی و سوپرکامپیوترها، حجم بالایی از اطلاعات در زمان بسیار کم پردازش می شوند. پردازش سریع موجب بوجود آمدن گرما در پردازشگر می گردد و چنانچه این حرارت دفع نگردد تنشهای حرارتی باعث از بین رفتن پردازشگر و در نهایت کل سیستم می گردد. در دنیای امروز و با ساخت سوپر کامپیوترها تکنیک دفع گرما باید کارا و موثرتر از گذشته باشد. از اینرو نیاز به طراحی چاه های حرارتی با راندمان بالاتر کاملاً احساس می شود.فرایند انتقال حرارت ناشی از جریان سیال درون کانال ها در کارکرد بسیاری از سیستم های طبیعی و سیستم های ساخته دست بشر نقش اصلی ایفا می کند. به کانال هایی که قطری بین 3 میلی متر تا 200 میکرومتر دارند میکروکانال می گویند.همانطور که می دانیم نرخ فرآیند انتقال گرما و جرم وابسته است به سطح جانبی کانال (با D رابطه مستقیم دارد) و نرخ دبی جریان به سطح مقطع کانال (با ²D رابطه مستقیم دارد) وابسته است پس هر چه قطر کانال (D) کوچکتر شود نسبت سطح جانبی به دبی حجمی بیشتر می شود . از این خاصیت در بدن انسان نیز استفاده شده است. در شش ها و کلیه ها، کانال هایی وجود دارد که در مسیر حرکتشان قطر آن ها کوچک شده و به حدود 4 میکرومتر می رسد و ما بیشترین راندمان را در فرایند انتقال حرارت و جرم در این دو ارگان از بدن داریم. وجود میکرو کانال ها در طبیعت را باید در کلیه ها، شش ها، مغز، روده ها و رگ ها و ... جستجو کرد. این در حالی است که در سیستم های ساخته دست بشر مثل بعضی از مبدل های حرارتی، راکتورهای هسته ای، واحد های جداسازی هوا و آنالیزورهای خونی و DNA نیز میکروکانالهای گوناگونی وجود دارد [1].استفاده از چاههای حرارتی با مجاری میکروکانال[1] منجر به پیشرفت های بسیاری در مقاومت حرارتی پایین، ساختار فشرده، نرخ سیال خنک کن کم، توزیع دمای یکنواخت در جهت جریان و غیره داشته است.در این تحقیق نظر به اهمیت میکروکانال ها در خنک کاری سیستم ها، با در نظر گرفتن میکروساختارها و یا شیارهایی در بدنه داخلی میکروکانال ها افزایش انتقال حرارت در میکروکانال مورد بررسی قرار خواهد گرفت. بدین منظور در پژوهش حاضر یک مدل ریاضی سه بعدی، برای انتقال حرارت ترکیبی[2] جامد و مایع معرفی خواهد شد. معادلات ناویر استوکس و انرژی برای ناحیه مایع و معادله انرژی برای قسمت جامد به طور هم زمان حل می شود و پارامترهای افت فشار به همراه انتقال حرارت در یک چاه حرارتی[3] شامل میکروکانال های تک فازی بررسی می گردد.در مکانیک سیالات و انتقال حرارت، مبحث جریانهای برگشتی و جدایی جریان در هندسه های مختلف از اهمیت بالایی برخوردار است زیرا وجود این نواحی تأثیر زیادی در نیروی وارده از سیال به سطح و افت فشار دارد. همچنین انتقال حرارت در این نواحی نیز بسیار حائز اهمیت است زیرا وجود نواحی برگشتی مقدار ضریب انتقال حرارت را تغییر داده و باعث ماکزیمم شدن آن در محلی که سیال جدا شده مجدداً به سطح می چسبد، می گردد.نوع رژیم جریان سیال تراکم ناپذیر تابعی از عدد رینولدز است. عدد رینولدز معرف نسبت نیروی اینرسی به نیروی اصطکاک لزج است.