Dòng chảy chất lỏng và truyền nhiệt trong vi kênh có và không có môi trường xốp dưới dòng nhiệt độ không đổi

Sādhanā - Tập 47 Số 2 - Trang 1-12 - 2022
Shamsoddini Lori, Mohammad1
1Department of Mechanical Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran

Tóm tắt

Trong nghiên cứu này, các đặc tính truyền nhiệt và dòng chảy chất lỏng của một vi kênh ba chiều được lấp một phần bởi một lớp môi trường xốp ở đáy tường rắn được điều tra. Vi kênh bao gồm một vùng dòng chất lỏng trong suốt, các tường rắn và một lớp xốp gắn liền với tường đáy rắn. Một dòng nhiệt không đổi được áp dụng lên tường đáy của vi kênh. Mô hình Darcy-Brinkman-Forchheimer được sử dụng để mô phỏng dòng chất lỏng bên trong môi trường xốp. Sự mới mẻ của công trình này là điều tra một cách kỹ lưỡng và chính xác ảnh hưởng của cấu hình lớp xốp trong hệ thống vi kênh nhiệt lên hiệu suất thủy lực và nhiệt. Ảnh hưởng của độ dày lớp xốp, độ thẩm thấu, độ rỗng, và lưu lượng khối lượng đến các đặc điểm trường dòng và hiệu suất truyền nhiệt của vi kênh được kiểm tra cho các độ dày lớp xốp không chiều $$\frac{\delta }{t} = 0, 2, 4, 6, 8, \,{\text{và}}\,10$$. Đối với các đặc tính xốp của $$K = 10^{ - 7} \,{\text{m}}^{2}$$ và $$\varepsilon = 0.6$$, vi kênh với các độ dày lớp xốp không chiều $$\frac{\delta }{t}$$ = 2, 4, 6, 8 và 10 có độ chênh áp lần lượt là 1.47, 1.78, 2.11, 2.49 và 2.93 lần lớn hơn vi kênh không có môi trường xốp. Đồng thời, chúng có số Nusselt lần lượt là 1.64, 1.69, 1.75, 1.82 và 1.9 lớn hơn vi kênh không có môi trường xốp. Ngoài ra, bằng cách tăng độ rỗng và độ thẩm thấu, vận tốc chất lỏng bên trong vùng trong suốt tăng lên, trong khi vận tốc chất lỏng bên trong vùng xốp giảm, điều này có thể được sử dụng để giải thích sự gia tăng của gradient áp suất và số Nusselt.

Từ khóa

#vi kênh #truyền nhiệt #dòng chảy #môi trường xốp #số Nusselt

Tài liệu tham khảo

citation_journal_title=Renew. Sust. Energ. Rev.; citation_title=Thermal and hydrodynamic analysis of microchannel heat sinks: a review; citation_author=AM Adham, N Mohd-Ghazali, R Ahmad; citation_volume=21; citation_publication_date=2013; citation_pages=614-622; citation_doi=10.1016/j.rser.2013.01.022; citation_id=CR1 citation_journal_title=IEEE Electron. Device Lett.; citation_title=High-performance heat sinking for VLSI; citation_author=D Tuckerman, R Pease; citation_volume=2; citation_publication_date=1981; citation_pages=126-129; citation_doi=10.1109/EDL.1981.25367; citation_id=CR2 citation_journal_title=PFM; citation_title=Channels in a porous scaffold: a new player for vascularization; citation_author=Y Kang, J Chang; citation_volume=13; citation_publication_date=2018; citation_pages=705-715; citation_id=CR3 Boland S and Majidi S 2021 Thermal improvement in double-layered microchannel heat sink with incorporating wavy porous fins. Heat Transf. Eng. 43: 458–502 citation_journal_title=J. Therm. Sci.; citation_title=Forced convective heat transfer in a porous plate channel; citation_author=P Jiang, Z Wang, Z Ren, B Wang; citation_volume=6; citation_publication_date=1997; citation_pages=43-53; citation_doi=10.1007/s11630-997-0037-y; citation_id=CR5 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Use of porous baffles to enhance heat transfer in a rectangular channel; citation_author=KH Ko, N Anand; citation_volume=46; citation_publication_date=2003; citation_pages=4191-4199; citation_doi=10.1016/S0017-9310(03)00251-5; citation_id=CR6 citation_journal_title=Int. J. Therm. Sci.; citation_title=Numerical investigation of pressure drop reduction without surrendering heat transfer enhancement in partially porous channel; citation_author=A Zehforoosh, S Hossainpour; citation_volume=49; citation_publication_date=2010; citation_pages=1649-1662; citation_doi=10.1016/j.ijthermalsci.2010.05.016; citation_id=CR7 citation_journal_title=Heat Mass Transf; citation_title=Analysis of fluid flow and heat transfer in a channel with intermittent heated porous blocks; citation_author=S Chikh, A Boumedien, K Bouhadef, G Lauriat; citation_volume=33; citation_publication_date=1998; citation_pages=405-413; citation_doi=10.1007/s002310050208; citation_id=CR8 citation_journal_title=Appl. Therm. Eng.; citation_title=An improved porous medium model for microchannel heat sinks; citation_author=B Deng, Y Qiu, CN Kim; citation_volume=30; citation_publication_date=2010; citation_pages=2512-2517; citation_doi=10.1016/j.applthermaleng.2010.06.025; citation_id=CR9 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Analysis of microchannel heat sinks for electronics cooling; citation_author=C Zhao, T Lu; citation_volume=45; citation_publication_date=2002; citation_pages=4857-4869; citation_doi=10.1016/S0017-9310(02)00180-1; citation_id=CR10 citation_journal_title=J. Heat Transfer; citation_title=Forced convection in high porosity metal foams; citation_author=VV Calmidi, RL Mahajan; citation_volume=122; citation_publication_date=2000; citation_pages=557-565; citation_doi=10.1115/1.1287793; citation_id=CR11 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Forced convection heat transfer in microchannel heat sinks; citation_author=CH Chen; citation_volume=50; citation_publication_date=2007; citation_pages=2182-2189; citation_doi=10.1016/j.ijheatmasstransfer.2006.11.001; citation_id=CR12 citation_journal_title=Int. J. Heat Fluid Flow; citation_title=Sintered porous medium heat sink for cooling of high-power mini-devices; citation_author=G Hetsroni, M Gurevich, R Rozenblit; citation_volume=27; citation_publication_date=2006; citation_pages=259-266; citation_doi=10.1016/j.ijheatfluidflow.2005.08.005; citation_id=CR13 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=A new scheme for reducing pressure drop and thermal resistance simultaneously in microchannel heat sinks with wavy porous fins; citation_author=G Lu, J Zhao, L Lin, XD Wang, WM Yan; citation_volume=111; citation_publication_date=2017; citation_pages=1071-1078; citation_doi=10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.04.086; citation_id=CR14 Xu H 2020 Thermal transport in microchannels partially filled with micro-porous media involving flow inertia, flow/thermal slips, thermal non-equilibrium and thermal asymmetry. Int. Commun. Heat Mass Transf. 110: 1044404 citation_journal_title=J. Thermophys. Heat Trans.; citation_title=Analysis of forced convection enhancement in a channel using porous blocks; citation_author=PC Huang, K Vafai; citation_volume=8; citation_publication_date=1994; citation_pages=563-573; citation_doi=10.2514/3.579; citation_id=CR16 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Flow and heat transfer control over an external surface using a porous block array arrangement; citation_author=P Huang, K Vafai; citation_volume=36; citation_publication_date=1993; citation_pages=4019-4032; citation_doi=10.1016/0017-9310(93)90152-V; citation_id=CR17 Elsafy K M and Saghir M Z 2021 Forced convection in wavy microchannels porous media using TiO2 and Al2O3–Cu nanoparticles in water base fluids: numerical results. Micromachines 12: 654 citation_journal_title=Int. Commun. Heat Mass Transf.; citation_title=Fluid flow and heat transfer in microchannel heat sink based on porous fin design concept; citation_author=L Chuan, XD Wang, TH Wang, WM Yan; citation_volume=65; citation_publication_date=2015; citation_pages=52-57; citation_doi=10.1016/j.icheatmasstransfer.2015.04.005; citation_id=CR19 Kozhukhov N, Kozhukhova E and Dubanin V 2018 Research on the hydrodynamics of coolant flow in compact heat exchangers filled with an inhomogeneous porous medium. In: International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), Vladivostok, Russia, pp. 1–6 Aghamiri H, Niknejadi M and Toghraie D 2021 Analysis of the forced convection of two-phase Ferro-nanofluid flow in a completely porous microchannel containing rotating cylinders. Sci. Rep. 11: 17811 citation_journal_title=Appl. Therm. Eng.; citation_title=Forced convection in bidisperse porous media incorporating viscous dissipation; citation_author=K Wang, P Li; citation_volume=140; citation_publication_date=2018; citation_pages=86-94; citation_doi=10.1016/j.applthermaleng.2018.05.036; citation_id=CR22 citation_journal_title=Appl. Therm. Eng.; citation_title=Heat transfer characteristics of thermally developing forced convection in a porous circular tube with asymmetric entrance temperature under LTNE condition; citation_author=P Li, J Zhang, K Wang, Z Xu; citation_volume=154; citation_publication_date=2019; citation_pages=326-331; citation_doi=10.1016/j.applthermaleng.2019.03.109; citation_id=CR23 citation_journal_title=Int. J. Therm. Sci.; citation_title=Numerical investigation on forced convection of tubes partially filled with composite metal foams under local thermal non-equilibrium condition; citation_author=Z Xu, Q Gong; citation_volume=133; citation_publication_date=2018; citation_pages=1-12; citation_doi=10.1016/j.ijthermalsci.2018.06.014; citation_id=CR24 citation_journal_title=Int. J. Therm. Sci.; citation_title=An experimental investigation on forced convection heat transfer of single-phase flow in a channel with different arrangements of porous media; citation_author=S Baragh, H Shokouhmand, SSM Ajarostaghi, M Nikian; citation_volume=134; citation_publication_date=2018; citation_pages=370-379; citation_doi=10.1016/j.ijthermalsci.2018.04.030; citation_id=CR25 citation_journal_title=Powder Technol.; citation_title=Numerical investigation of laminar flow and heat transfer of non-Newtonian nanofluid within a porous medium; citation_author=P Barnoon, D Toghraie; citation_volume=325; citation_publication_date=2018; citation_pages=78-91; citation_doi=10.1016/j.powtec.2017.10.040; citation_id=CR26 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Forced convection and heat transfer of water-cooled microchannel heat sinks with various structured metal foams; citation_author=B Shen, H Yan, B Sunden, H Xue, G Xie; citation_volume=113; citation_publication_date=2017; citation_pages=1043-1053; citation_doi=10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.06.004; citation_id=CR27 citation_journal_title=Numer. Heat. Tr. A-Appl.; citation_title=Unsteady conjugate natural convection in a vertical cylinder partially filled with a porous medium; citation_author=MA Sheremet, TA Trifonova; citation_volume=64; citation_publication_date=2013; citation_pages=994-1015; citation_doi=10.1080/10407782.2013.811973; citation_id=CR28 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Constant wall heat flux boundary condition in micro-channels filled with a porous medium with internal heat generation under local thermal non-equilibrium condition; citation_author=YM Larimi; citation_volume=85; citation_publication_date=2015; citation_pages=524-542; citation_doi=10.1016/j.ijheatmasstransfer.2015.01.134; citation_id=CR29 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Thermal performance analysis of porous-microchannel heat sinks with different configuration designs; citation_author=TC Hung, YX Huang, WM Yan; citation_volume=66; citation_publication_date=2013; citation_pages=235-243; citation_doi=10.1016/j.ijheatmasstransfer.2013.07.019; citation_id=CR30 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Calculation of turbulent flow and heat transfer in a porous-baffled channel; citation_author=YT Yang, CZ Hwang; citation_volume=45; citation_publication_date=2003; citation_pages=771-780; citation_doi=10.1016/S0017-9310(02)00360-5; citation_id=CR31 citation_journal_title=J. Heat Transfer; citation_title=Analysis of energy and momentum transport for fluid flow through a porous bed; citation_author=K Vafai, M Sozen; citation_volume=112; citation_publication_date=1990; citation_pages=690-699; citation_doi=10.1115/1.2910442; citation_id=CR32 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Analysis of flow and heat transfer at the interface region of a porous medium; citation_author=K Vafai, R Thiyagaraja; citation_volume=30; citation_publication_date=1987; citation_pages=1391-1405; citation_doi=10.1016/0017-9310(87)90171-2; citation_id=CR33 citation_title=Handbook of Porous Media; citation_publication_date=2015; citation_id=CR34; citation_author=K Vafai; citation_publisher=CRC Press Comsol Software 2020 Reference Manual, COMSOL Multiphysics version 5.6. Stockholm, Sweden, COMSOL LAB citation_journal_title=J. Fluid Mech.; citation_title=Boundary conditions at a naturally permeable wall; citation_author=GS Beavers, DD Joseph; citation_volume=30; citation_publication_date=1967; citation_pages=197-207; citation_doi=10.1017/S0022112067001375; citation_id=CR36 citation_journal_title=Appl. Numer. Math.; citation_title=Navier-Stokes/Forchheimer models for filtration through porous media; citation_author=F Cimolin, M Discacciati; citation_volume=72; citation_publication_date=2013; citation_pages=205-224; citation_doi=10.1016/j.apnum.2013.07.001; citation_id=CR37 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Analysis of fluid flow and heat transfer interfacial conditions between a porous medium and a fluid layer; citation_author=B Alazmi, K Vafai; citation_volume=44; citation_publication_date=2001; citation_pages=1735-1749; citation_doi=10.1016/S0017-9310(00)00217-9; citation_id=CR38 Lori M S and Vafai K 2022 Heat transfer and fluid flow analysis of microchannel heat sinks with periodic vertical porous ribs. Appl. Therm. Eng. 205: 118059 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Thermal and hydraulic performance enhancement of microchannel heat sinks utilizing porous substrates; citation_author=A Ghahremannezhad, K Vafai; citation_volume=122; citation_publication_date=2018; citation_pages=1313-1326; citation_doi=10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.02.024; citation_id=CR40 citation_journal_title=Numer Heat Tr. A-Appl.; citation_title=Numerical study of heat transfer of a porous-block-mounted heat source subjected to pulsating channel flow; citation_author=YL Yen, PC Huang, CF Yang, YJ Chen; citation_volume=54; citation_publication_date=2008; citation_pages=426-449; citation_doi=10.1080/10407780802164496; citation_id=CR41 citation_journal_title=ASME. J. Heat Transfer.; citation_title=Forced convection in a porous channel with localized heat sources; citation_author=A Hadim; citation_volume=116; citation_publication_date=1994; citation_pages=465-472; citation_doi=10.1115/1.2911419; citation_id=CR42 citation_journal_title=Annu. Rev. Fluid Mech.; citation_title=Convection in mushy layers; citation_author=MG Worster; citation_volume=29; citation_publication_date=1997; citation_pages=91-122; citation_doi=10.1146/annurev.fluid.29.1.91; citation_id=CR43 citation_title=Solidification of fluids; citation_publication_date=2000; citation_id=CR44; citation_author=MG Worster; citation_publisher=Cambridge University Press citation_journal_title=Int. J. Eng. Sci.; citation_title=On boundary conditions for fluid flow in porous media; citation_author=T Levy, E Sanchez-Palencia; citation_volume=13; citation_publication_date=1974; citation_pages=923-940; citation_doi=10.1016/0020-7225(75)90054-3; citation_id=CR45 citation_journal_title=J. Fluid Mech.; citation_title=Weak convection, liquid inclusions and the formation of chimneys in mushy layers; citation_author=TP Schulze, MG Worster; citation_volume=388; citation_publication_date=1999; citation_pages=197-215; citation_doi=10.1017/S0022112099004589; citation_id=CR46 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Momentum transfer at the boundary between a porous medium and a homogeneous fluid—I. Theoretical development; citation_author=J Ochoa-Tapia, S Whitaker; citation_volume=38; citation_publication_date=1995; citation_pages=2635-2646; citation_doi=10.1016/0017-9310(94)00346-W; citation_id=CR47 citation_journal_title=Int. J. Heat Mass Transf.; citation_title=Momentum transfer at the boundary between a porous medium and a homogeneous fluid—II. Comparison with experiment; citation_author=J Ochoa-Tapia, S Whitaker; citation_volume=38; citation_publication_date=1995; citation_pages=2647-2655; citation_doi=10.1016/0017-9310(94)00347-X; citation_id=CR48 citation_journal_title=AIChE Journal; citation_title=Prediction of transport processes within porous media: creeping flow relative to a fixed swarm of spherical particles; citation_author=GH Neale, WK Nader; citation_volume=20; citation_publication_date=1974; citation_pages=530-538; citation_doi=10.1002/aic.690200314; citation_id=CR49 citation_journal_title=Transp Porous Media; citation_title=Derivation of matching conditions at the contact surface between fluid-saturated porous solid and bulk fluid; citation_author=M Cieszko, J Kubik; citation_volume=34; citation_publication_date=1999; citation_pages=319-336; citation_doi=10.1023/A:1006590215455; citation_id=CR50 Lori M and Vafai K 2022 Thermal and hydraulic performance of rectangular microchannel heat sinks with trapezoidal porous configuration. Numer. Heat Tr. A-Appl. 81: 72–93 citation_title=Laminar Flow forced convection in ducts; citation_publication_date=1973; citation_id=CR52; citation_author=R Shah; citation_author=A London; citation_publisher=Academic Press citation_journal_title=Heat Mass Transf.; citation_title=Fluid flow and heat transfer in microchannels with rectangular cross section; citation_author=JY Jung, HY Kwak; citation_volume=44; citation_publication_date=2008; citation_pages=1041-1049; citation_doi=10.1007/s00231-007-0338-4; citation_id=CR53 Ma H, Duan Z, Ning X and Su L 2021 Numerical investigation on heat transfer behavior of thermally developing flow inside rectangular microchannels. Case Stud. Therm. Eng. 24: 100856 citation_journal_title=Appl. Sci. Res.; citation_title=Laminar flow heat transfer for simultaneously developing velocity and temperature profiles in ducts of rectangular cross section; citation_author=S Montgomery, P Wibulswas; citation_volume=18; citation_publication_date=1968; citation_pages=247-259; citation_doi=10.1007/BF00382350; citation_id=CR55