فهرست مطالب فصل اول1- مروری بر مفاهیم اولیه.......21-1- مقدمه.........21-2- جریان اطراف صفحات ضخیم........31-3- خنک سازی سیستم های الکترونیکی...51-4- تکنیک های خنک سازی.......61-5- همرفت اجباری، طبیعی و مرکب......81-5-1- همرفت اجباری داخلی بین صفحات موازی.......81-5-2- همرفت طبیعی......91-5-3- همرفت مرکب.......101-6- ضریب انتقال حرارت.........11فصل دوم2- مروری بر تحقیقات گذشته....132-1- پژوهش های جریان همرفتی روی هندسه های متفاوت.........132-2- ویژگی های پژوهش حاضر.........30فصل سوم3- تعریف مسئله..........................................................................................................................323-1- شرح مسئله........................................................................................................................323-2- معادلات حاکم....................................................................................................................353-3- شرایط مرزی......................................................................................................................36فصل چهارم4- روش حل مسئله.....................................................................................................................394-1- مقدمه..................................................................................................................................394-2- تنظیمات نرم افزار گمبیت...............................................................................................394-3- بررسی استقلال نتایج از شبکه........................................................................................414-4- تنظیمات نرم افزار فلوئنت...............................................................................................................424-5- اعتبار سنجی نتایج..............................................................................................................434-6 بررسی تغییرات زمانمند مسئله...........................................................................................464-7 بررسی اثرات تشعشع در مسئله مورد تحقیق..................................................................47فصل پنجم5- نتایج.............................................................................................................................................495-1- مقدمه.....................................................................................................................................495-2- خطوط دما ثابت و خطوط جریان....................................................................................495-3- نمودار عدد ناسلت بر حسب زاویه....................................................................................725-4- روابط تخمینی عدد ناسلت برحسب اعداد بی بعد در زوایای مختلف.......................815-5- بررسی اثر پارامتر های هندسی نظیر طول مکعب ها و فاصله بین آنها...................815-6- مجموعه بهینه از پارامترهای مورد بررسی برای حداکثر کردن انتقالحرارت.......915-7- بررسی افت فشار..................................................................................................................925-8- بررسی مسئله به صورت غیر دائمی.................................................................................93فصل ششم6- نتیجه گیری و پیشنهادات....................................................................................................1006-1- نتیجه گیری...................................................................................................................... 1006-2-پیشنهادات...........................................................................................................................101منابع و مآخذ................................................................................................................................ 102 فهرست جدول ها جدول1-1 شیوه های اصلی خنک سازی[5]......................................................................................................7جدول2-1 مقایسه نتایج بدست آمده برای ضریب انتقال حرارت جابجایی[16]......................................19جدول2-2 مقایسه عدد ناسلت مطالعه آرکویس با نتایج تجربی مطالعه آقای لین[19]........................23جدول2-3 مشخصات بررسی های گذشته انتقال حرارت داخل کانال با چشمه های حرارتی.............29جدول3-1 اطلاعات اولیه مسئله.........................................................................................................................34جدول5-1 ضرائب محاسبه شده فرمول پیشنهادی مطالعه حاضر..............................................................81جدول5-2 حداکثر و حداقل دما ی مکعبها بر حسب تغییرات ابعاد چشمه های حرارتی..................83جدول5-3 حداکثر و حداقل دما ی مکعب ها بر حسب تغییرات فاصله میان چشمه های حرارتی....86 فهرست شکل ها شکل1-1 جریان اطراف صفحه ضخیم نیمه بی نهایت]3[.. 4شکل1-2 جریان اطراف یک صفحه ضخیم و محدود]3[.. 4شکل1-3 جریان روی سه مکعب در داخل کانال. 4شکل 1-4 توسعه پروفایل سرعت در یک مجرا[10].. 8شکل 1-5 توسعه پروفایل دما دریک مجرا[10].. 9شکل1-6 جریان جابجایی آزاد بین صفحات موازی گرم [10]. 10شکل2-1 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[12].. 13شکل2-2 تغییرات عدد ناسلت بر حسب تغییر زاویه در اعداد رینولدز متفاوت[12].. 14شکل2-3 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[13].. 15شکل2-4 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده[14].. 15شکل2-5 عدم تولید حرارت توسط یکی از سه چشمه های حرارتی روی دما [14].. 16شکل2-6 تاثیر فواصل بین چشمه های حرارتی روی دما[14].. 16شکل2-7 شماتیکی از هندسه مورد مطالعه[15].. 17شکل2-8 شماتیکی از هندسه ی مورد مطالعه[16].. 18شکل2-9 شبکه بندی غیر سازمان یافته ی هندسه مورد مطالعه[16] 19شکل2-10 شماتیکی از هندسه ی مدلسازی شده[17].. 20شکل2-11 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[18].. 21شکل2-12 دامنه ی محاسباتی مسئله و شرایط مرزی[18].. 21شکل2-13 تاثیر عدد رینولدز روی دمای بی بعد شده[18].. 21شکل2-14 تاثیر عدد گراشف روی دمای بی بعد شده[18].. 22شکل2-15شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[19].. 22شکل2-16 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[21].. 23شکل2-17 نمودار عدد ناسلت بر حسب عدد رینولدز در زوایای مختلف[21]. 24شکل2-18 شماتیکی از هندسه مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه[22].. 25شکل2-19 نمودار عدد ناسلت چشمه های گرمایی بر حسب عدد رینولدز[22]. 25شکل2-20 شماتیکی از هندسه ی مدلسازی شده[23].. 26شکل2-21 نمودار عدد ناسلت در امتداد سطح فین [23].. 26شکل2-22 شماتیکی از دستگاهی که داده برداری تجربی با کمک ان صورت گرفته است[24].. 27شکل2-23 تاثیرنسبت روی انتقال حرارت و دمای چشمه های حرارتی[24]. 28شکل3-1 شماتیکی از کانال مدلسازی شده به همراه پارامترهای هندسی مربوطه.. 32شکل 3-2 سطوح کناری که شرط مرزی تقارن دارند....................................................................................33شکل3-3 شکل3-3 دامنه ی محاسباتی مسئله مورد تحقیق و شرایط مرزی..........................................37شکل4-1 شماتیکی از شبکه ی ایجاد شده مطالعه حاضر از نمای کنار. 40شکل4-2 شماتیکی از شبکه ی ایجاد شده مطالعه حاضراز نمای بالا. 40شکل4-3 شماتیکی از شبکه ی ایجاد شده مطالعه حاضر از نمای روبرو 41شکل4-4 پروفایل سرعت در خط میانی یک صفحه ی تعبیه شده در پایین دست مکعب انتهایی. 42شکل4-5 روند تغییرات ضرائب خطاها تا رسیدن به حالت همگرایی. 43شکل4-6 مقایسه تغییرات پروفایل سرعت در مطالعه‌ی حاضر و مطالعه‌ی آقای هبشی]26[.. 44شکل4-7 هندسه‌ی مورد استفاده در مقاله‌ی آقای هبشی و آچاریا]26[. 45شکل4-8 مقایسه نتایج مطالعه حاضر با نتایج مطالعه آقای هبشی و آچاریا]26[ در x/L=1........45شکل4-9 میانگین دمای مکعب اولی بر حسب زمان......................................................................................46شکل4-10میانگین عدد ناسلت برای مکعب اولی بر حسب زمان................................................................46شکل4-11کانتورهای دمای معادل تشعشع برای حالت,Re=1,Gr=106..................................47شکل5-1 بردار سرعت و دما ثابت برای عدد گراشف 106و زاویه صفر درجه برای Re=1.. 50شکل5-2 بردار سرعت و دما ثابت برای عدد گراشف 106وزاویه صفر درجه برای Re=10.. 50شکل 5-3 بردار سرعت و دما ثابت برای عدد گراشف 106و زاویه صفر درجه برایRe=100. 51شکل 5-4 بردار سرعت و دما ثابت برای عدد گراشف 106و زاویه صفر درجه برای Re=500.51شکل 5-5 بردار سرعت و دما ثابت برای عدد گراشف 106و زاویه صفر درجه برای Re=1000... 52شکل 5-6 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 106و زاویه 45درجه برای Re=1.. 53شکل 5-7 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 106و زاویه 45درجه برای Re=10.. 53شکل5-8 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 106و زاویه 45درجه برای Re=100.. 54شکل 5-9 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 106و زاویه45درجه برای Re=500.. 54شکل 5-10 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 106و زاویه 45درجه برای Re=1000. 55شکل 5-11 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 106و زاویه90درجه برای Re=1.. 56شکل 5-12 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 106و زاویه90درجه برای Re=10.. 57شکل5-13 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 106و زاویه90درجه برای Re=100.. 58شکل 5-14 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 106و زاویه 90درجه برای Re=500.. 59شکل5-15 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 106و زاویه90درجه برای Re=1000. 60شکل 5-16خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه صفر درجه برای Re=1.. 62شکل 5-17خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویهصفر درجه برای Re=10. 62شکل 5-18خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه صفر درجه برای Re=100. 63شکل 5-19خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویهصفر درجه برای Re=500.. 63شکل 5-20خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویهصفر درجه برای Re=1000. 64شکل 5-21خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه45 درجه برای Re=1.. 64شکل 5-22خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه 45 درجه برای Re=10. 65شکل 5-23خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه45 درجه برای Re=100.. 65شکل 5-24خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه45 درجه برای Re=500.. 66شکل 5-25خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه45 درجه برای Re=1000. 66شکل 5-26 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه 90 درجه برای Re=1.. 67شکل 5-27 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه90 درجه برای Re=10.. 68شکل 5-28خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه90 درجه برای Re=100. 69شکل 5-29 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه 90 درجه برای Re=500. 70شکل 5-30 خطوط دما ثابت و جریان برای عدد گراشف 105و زاویه90 درجه برای Re=1000. 71شکل 5-31 تغییراتعدد ناسلت بر حسب زاویه برایحالت Gr=106, ks=0.24 W/mK.. 75شکل 5-32 تغییرات عدد ناسلت بر حسب زاویه برای حالت Gr=, =2.4W/mK.. 76شکل5-33 تغییراتعدد ناسلت برحسبزاویهبرایحالت Gr=105, ks=0.24W/mK.. 77شکل5-34 تغییرات عدد ناسلت بر حسب زاویه برای حالت W/mK Gr=105, ks=2.4. 78شکل5-35تغییرات عدد ناسلت بر حسب زاویه برای حالت W/mK Gr=104, ks=0.24. 79شکل5-36تغییرات عدد ناسلت بر حسب زاویه برای حالت W/mK Gr=104, ks=2.4. 81شکل5-37اثر ارتفاع بیبعد بر روی عدد ناسلت به ازای. 83شکل5-38رابطه عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب ارتفاع بی بعد 84شکل5-39 اثر فاصلهی بی بعد بر روی عدد ناسلت. 85شکل 5-40 رابطه ی عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب فاصلهی بی بعد 86شکل 5-41 رابطه عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب ارتفاع بی بعد 87شکل 5-42 رابطه عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب ارتفاع بی بعد 88شکل 5-43 رابطه ی عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب فاصلهی بی بعد 89شکل 5-44 رابطه ی عدد ناسلت میانگین سه مکعب بر حسب فاصلهی بی بعد 90شکل 5-45 میزان افت فشار در کانال بر حسب Re، برای Gr های مختلف 92شکل5-46 کانتورهای دما ثابت برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه صفر درجه.........................94شکل5-47 کانتورهای خطوط جریان برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه صفر درجه...............94شکل5-48 کانتورهای دما ثابت برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه 45 درجه..........................95شکل5-49 کانتورهای خطوط جریان برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه 45 درجه.................96شکل5-50 کانتورهای دما ثابت برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه 90 درجه..........................97شکل5-51 کانتورهای خطوط جریان برای حالت غیر دائمی و دائمی در زاویه 90 درجه..................98 فهرست نشانه‌های اختصارینشانههای لاتینتوضیحنشانهعدد بی بعد بایوBiقطر هیدرولیکی کانال(cm)Dعدد بی بعد گراشفGrطول هر ضلع چشمه حرارتی(cm)Hضریب انتقال حرارت جابجاییhضریب بی بعد رسانشKضریب انتقال حرارت رسانشkطول صفحه(cm)Lعدد بی بعد ناسلتNuعدد بی بعد رفشارPعدد بی بعد پکلتPeعدد بی بعد پرانتلPrشار حرارتیعدد بی بعد رایلیRaعدد بی بعدرینولدزReعدد بی بعد ریچاردسونRiعدد بی بعد اشمیتفاصله بین دو چشمه حرارتی(cm)Scsدمای مطلق(K)Tمتغیر بی بعد سرعت در راستای XUسرعت در راستای xuمتغیر بی بعد سرعت در راستایYVسرعت در راستایyvمتغیر بی بعد سرعت در راستای ZWسرعت در راستایZwمتغیر بی بعد مکان در راستایXXمتغیر بی بعد مکان در راستایYYمبالانویسهاتوضیحنشانهاصلاح شدهزیرنویسهاتوضیحنشانهطول مشخصه صفحهLدیوارwمحیط دور دستبحرانیcسیالfهیدرولیکیeبردار یکه عمود بر سطحnسطح چشمه های حرارتیsاولیه0نحروف یونانیتوضیحنشانهضریب انبساطβزاویهγدمای بی بعدθلزجت سینماتیکیυلزجت دینامیکیµچگالی ρزمان بی بعدτ فصل اول 1- مروری بر مفاهیم اولیه: 1-1-مقدمه: درسه دهه گذشته وسایل الکترونیکی گسترش بسیار یافته و تمام جنبههای زندگی مدرن را احاطه کردهاست. پيشرفت سريع در صنایع الكترونيك و نياز به حداقل كردن حجم وسايل الكترونيكي در كنار اثر نامطلوب تولید حرارت در اين گونه وسايل، دليل افزايش تمايل به بررسي پديده‌ي خنك‌كاري وسايل الكترونيكي مي‌باشد. در خنک سازی سیستم های الکترونیکی، مطالعات تجربی و تئوری زیادی انجام شده است. ولی اغلب، محدودیت هایی از جهت تنوع آزمایشات و تجهیزات وجود دارد، که سبب گردیده بررسی ها به سمت مطالعات محاسباتی معطوف گردد. مدلسازي همزمان انتقال حرارت جابجايي آزاد و اجباري براي يك قطعه‌ي الكترونيكي با هندسه پيچيده، به علت کاهش ابعاد، افزایش سرعت پردازش و مسایل فنی، هنوز يك مسئله‌ي نوين و ضروری برای تحقيق مي‌باشد. خنك كردن قطعات الکترونیکی گرما زا و یا سیستم های مشابه مثل پره ها معمولاً توسط يك جريان اجباري هوا صورت مي‌گيرد. در اغلب موارد اثر انتقال حرارت جابجايي آزاد ناديده گرفته مي‌شود،ولي زماني كه حرارت تولید شده در این قطعات زیاد باشد و یا سرعت جریان اجباری برای خنک سازی کم باشد، جابجايي آزاد نقش قابل توجهي در انتقال حرارت ايفا مي‌كند و در خنك كردن وسيله مؤثر است. در این گونه موارد اثر انتقال حرارت جابجایی اجباری وآزاد باید به صورت همزمان در نظر گرفته شود.در ادامه پدیده ی حرکت سیال و انتقال حرارت به صورت کلی در اطراف نمونه هایی از هندسه مورد مطالعه، بررسی و ارائه می گردد. 1-2- جریان اطراف صفحات ضخیم: در مکانیک سیالات و انتقال حرارت، مبحث جریان های برگشتی و جدایی جریان در هندسه های مختلف مانند یک صفحه ی ضخیم، یا مکعب مستطیل قرار گرفته روی یک سطح و یا تعدادی مکعب که با فاصله های معین به دنبال یکدیگر روی یک سطح قرار دارند، از اهمیت بالایی برخوردار است.وقتی جریان سیال به صفحه نازکی برخورد کند لایه مرزی از ابتدای صفحه تشکیل می شود. در این شرایط بررسی انتقال حرارت با مطالعه لایه مرزی انجام می پذیرد ولی در شرایطی که سیال دچار جدایی شود محاسبه انتقال حرارت بسادگی امکانپذیر نیست. جدایی جریان و نواحی برگشتی معمولاً زمانی تشکیل می شوند که سیال به یک مانع یا یک صفحه ضخیم مانند پره ها برخورد کند.نوع رژیم جریان سیال در اطراف پره هایی مانند شکل1-1، تابعی از عدد رینولدز است. برای پره های ضخیم دو بعدی عدد رینولدز بر مبنای ضخامت پره Dو سرعت سیال بالا دست جریان، U تعریف می گردد.برای هندسه ی شکل 1-1، بطور قطع نمی توان گفت تا چه رینولدزی جریان آرام و از آن به بعد آشفته است بطوریکه بعضی از محققان ReD=500 را پیشنهاد داده اند]1[و عده ای دیگر معتقدند که تا ReD=1000 جریان آرام می باشدو بعد از آن جریان آشفته می گردد] 2[.برای صفحه ضخیم به طول L، چنانچه 10 باشد، صفحه بصورت نیمه بی نهایت در نظر گرفته می شود]3[ و دو ناحیه بر روی صفحه تشکیل می گردد. شکل 1-1 این حالت را نشان می دهد. اولی ناحیه برگشتی و دیگری ناحیه لایه مرزی می باشد که بلافاصله بعد از ناحیه برگشتی تشکیل می گردد. i. شکل1-1 جریان اطراف صفحه ضخیم نیمه بی نهایت]3[. اگر Ar ii. شکل1-2 جریان اطراف یک صفحه ضخیم و محدود]3[. در تحقیق حاضر جریان اطراف چند مانع که داخل یک کانال قرار گرفته مانند شکل1-3، بررسی شده است. محدود بودن سیال به سطوح و ایجاد ناحیه برگشتی بعد از موانع به پیچیدگی این نوع جریان می افزاید، به ویژه زمانی که این موانع، منبع چشمه گرمایی نیز باشند. 1-3-خنکسازی سیستمهای الکترونیکی: یکی از اهداف طراحی سیستم های خنک سازی قطعات الکترونیکی ، ارائه وسایلی برای دفع حرارت از منابع گرمازا و انتقال آن به یک یا چند انباره حرارتی در محیط است. در سیستم های مذکور، حفظ دمای عناصر درون آن در محدوده ی مجاز و عملی با کنترل مقدار انتقال گرما انجام می شود. حد دمای عملی دامنهای ست که درآن عملکرد عناصر الکترونیکی، مطابق با انتظارات طراح وسایل الکترونیکی و استاندارد های مربوطه باشد. برای تامین شرایط خنکسازی قطعات الکترونیکی، وظیفه مهندس طراح یافتن بهترین مسیرهای انتقال حرارت از منبع گرما به انبار حرارتی نهایی است. برای این منظور، باید تأکید بر یافتن راه های کاهش مقاومت خارجی و داخلی باشد، زیرا انتقال حرارت کلی میتواند تا حد زیادی با کاهش مقاومت مسیر از منبع گرم به منبع سرد افزایش یابد.