39
4-2- تولید شبکه                                                                                      40
4-3- معادلات حاکم                                                                                  42
4-4- شرایط مرزی                                                                                    43
عنوان                                                                                                               صفحه
فصل 5: نتایج                                                                                                    46
5-1- معرفی هندسه مسأله                                                                          47
5-2- مطالعه شبکه                                                                                   51
5-3- همگرایی                                                                                        54
5-4- سنجش صحت نتایج برای چاه حرارتی                                                    55
میکروکانالی پره دار با فرض دائمی بودن جریان
5-5- نتایج به دست آمده برای چاه حرارتی                                                     58
میکروکانالی پره دار با فرض دائمی بودن جریان
5-5-1- انتقال حرارت در میکروکانال چاه حرارتیcm² 2×1                               58
5-5-2- انتقال حرارت در چاه حرارتیcm² 1×1                                             65
5-6- نرخ تولید انتروپی در چاه حرارتی میکروکانالی                                          73
5-7- بررسی رفتار غیر دائمی جریان در چاه حرارتی میکروکانالی پره دار                 76
5-7-1- سنجش صحت نتایج برای حل زمانمند جریان                                      76
 حول یک استوانه دو بعدی
5-7-2- نتایج به دست آمده برای چاه حرارتی میکروکانالی                                 79
 پره دار با فرض ناپایدار و دو بعدی بودن جریان
5-7-3- سنجش صحت نتایج برای جریان سه بعدی زمانمند حول یک استوانه          82
5-7-4- نتایج به دست آمده برای چاه حرارتی میکروکانالی پره دار                        87

 با فرض ناپایدار و سه بعدی بودن جریان
5-8- نتایج برای اختلاط مایعات در میکروکانالها                                               88
5-8-1- صحه گذاری نتایج عددی حاضر برای اختلاط مایعات در میکروکانالها           88
5-8-2- نتایج به دست آمده برای اختلاط در میکروکانالها                                    89
فصل 6: جمع بندی و پیشنهادات                                                                      97
6-1- جمع بندی                                                                                                98
عنوان                                                                                                               صفحه
 
6-2- پیشنهادات                                                                                                     99
مراجع                                                                                                                   100

• پیشگفتار

 
یکی از 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.
 (1-1)                                              
این عدد معمولاً بر حسب پارامترهای مناسبی از جریان و هندسه آن بیان می شود. برای میکروکانالها با پره های استوانه ای عدد رینولدز بر مبنای قطر دایره و برای بقیه میکروکانالها بر حسب قطر هیدرولیکی کانال و سرعت متوسط جریان در میکروکانال تعریف می گردد.
جریان درون میکروکانال ها به علت کوچک بودن قطر هیدرولیکی کانالها و همچنین کم بودن سرعت سیال، عموماً در محدوده اعداد رینولدز پایین قرار دارد. این در حالیست که در میکروکانالهای دارای میکروساختارها، با برخورد سیال به پره ها جریان برگشتی پشت آنها تشکیل شده همچنین امکان جدایش جریان نیز در این کانالها وجود دارد. به طور قطع نمی توان گفت در میکروکانالهای دارای میکروساختارها در چه رینولدزی جریان آرام و به آشفته تبدیل می شود. با افزایش عدد رینولدز، گردابه ها حول یک نقطه پایدار شروع به نوسان می کنند، مانند جریان برگشتی پشت سیلندر یا پره ها در میکروکانالها. در این حالت جریان هنوز آرام است و اغتشاشات تصادفی و بی نظمی مشاهده نمی شود. فرکانس چنین نوساناتی با عدد استروهال که بی بعد است بدین ترتیب تعریف می شود:
(2-1)                                                   
 عدد استروهال نسبت زمان مشخصه جریان ( ) به پریود نوسانات ( ) است که ƒ فرکانس نوسانات جریان هست. در بیشتر موقعیت هایی از جریان، مانند جریان برگشتی پشت سیلندر، پره یا کره عدد استروهال در محدوده 2/0 هست. با افزایش جریان، نوسانات متناوب ناپایدار و بی نظم می شوند. گردابه های بیشتر و کوچکتری تشکیل می گردند، که تنها به روشهای آماری قابل توصیف هستند. 

• نحوه ساخت میکروکانال

روشهای مختلفی برای ساخت میکروکانال ها در یک بدنه وجود دارد که فرایندهای رایج آن به شرح زیر می باشد [2]:
1-Micro-Machining
2-Diffusion-bonding
3-Stereolithography
4-Chemical Etching
5-LIGA

• Micro-Machining

میکرو-ماشینکاری ابتدایی ترین فرایند ساخت میکروکانالها است که در آن از بریدن، اتصال، شکل دادن، خم کردن و برداشتن ماده استفاده می شود. رایج ترین روش مورد استفاده در میکرو-ماشینکاری تراشکاری و سنگ زنی با الماس است. از مزایای استفاده از این روش می توان به بازه گسترده مواد مورد استفاده اشاره کرد. در این روش محدودیت هایی نظیر قابلیت حک کاری و هدایت الکتریکی وجود ندارد و تنها کافیست ماده مورد استفاده به اندازه کافی نرم و انعطاف پذیر باشد.
شکل 1-1: یک سطح مقطع از میکروکانال تولید شده به روش میکرو-ماشینکاری

• Diffusion-bonding

انتشار پیوند فرایند جوشکاری است که در آن  دو سطح در دمای بالا و تحت فشار مکانیکی در  خلا یا فضایی خالی از اکسیژن به یکدیگر متصل می شوند. دمای مورد نیار برای پیوند معمولا 5/0 تا 8/0 برابر دمای ذوب ماده مورد نظر است. اگر ماده مورد استفاده فلز باشد دمایی حدود 500°C-1000°C و اگر سیلیکن باشد 950°C-1100°C مورد نیاز است.
قابل ذکر است انتشار پیوند فرایند ثانویه ای است که در اتصال قطعات و ساخت مبدل حرارتی استفاده می شود که معمولا پس از حک کاری شیمیایی و میکرو-ماشینکاری انجام می شود.

• Stereolithography

در این روش اشعه نور فرابنفش از میان پلیمر مایع فعالی عبور کرده و یک لایه سخت جامد را ایجاد می کند. جامد به آرامی ته نشین می شود و مرحله پرتوزنی دوباره تکرار می شود تا جایی که لایه ها یکی پس از دیگری بر روی هم می سازد و هندسه مورد نظر ساخته می شود. پلیمر بدست آمده را می توان از طریق عمل آوری حرارتی به سرامیک تبدیل کرد.
این روش برای هندسه های پیچیده که با روش هایی مانند حک کاری یا میکرو-ماشینکاری قابل ساخت نیست استفاده می شود.
شکل 1-2: طرحی از شکل مقطع چند لایه شده در سیلیکن

• Chemical Etching

در روش حک کاری از یک اسید یا باز قوی برای برداشتن مواد و ایجاد حجم مورد نظر استفاده می شود. بیشتر مواد مورد استفاده در این روش شامل تعدادی از انواع سیلیکات ها است مانند ویفر های سیلیکن و شیشه. در این روش موضوع اصلی ارتباط مستقیم بین ماده و نرخ برداشتن ماده است. همانطور که ذکر شد یکی از مواد پرکاربرد در حک کاری میکروکانالها سیلیکن است. سیلیکن دارای رسانایی خوبی است و ویژگی بسیار مناسبی دارد که می توان با روش های حک کاری کانال هایی با نسبت منظری 600:1 ساخت. دقت این روش تا  0.005mm ± افزایش یافته و می توان میکروکانالهایی تا 2% کل عرض کانال ساخت.