مدلسازی عملکرد حرارتی سیال در تبخیرکننده با میکروساختارهای کروی و میکروستون مخروطی

عملکرد حرارتی تجهیزات خنک کاری دوفاز غیرفعال مانند لوله های حرارتی و محفظه های بخار، به طور عمده وابسته به هندسه و خواص میکروساختار تبخیرکننده و فتیله است. ویژگی های مطلوب ساختار تبخیرکننده شامل فشار مویینگی بالا با وجود مقاومت کم در برابر جریان به همراه سطح گسترده برای افزایش تبخیر لایه نازک سیال است که انتخاب مقیاس و تخلخل ساختار بر اساس مصالحه بین ویژگی های موردنظر فوق است. در مطالعه حاضر، شکل سطح آزاد سیال ساکن در میکروستونهای مخروطی و میکروساختارهای کروی توسط الگوریتم گرادیان کاهشی با نرم افزار surface evolver مدل ‌شده است و فشار مویینگی بی بعد بر اساس انحنای سطح تعیین گردیده است. نفوذپذیری و ضریب انتقال حرارت با استفاده از نرم افزار فلوئنت به صورت تابعی از پارامتر هندسی بی بعد و زاویه تماس بین مایع و جامد، پیش بینی شده است. نتایج نشان داد میکروستون مخروطی با توجه به سطح تماس گرمایی زیاد با زیرلایه، کاهش سطح مقطع در ارتفاع و افزایش نفوذپذیری، افزایش فیلم نازک به دلیل کشش مایع بر روی سطح مایل، عملکرد مطلوبی در فرآیند تبخیر نسبت به میکروساختار کروی نشان داد. همچنین زاویه تماس بهینه و پارامتر هندسی بی بعد که بهترین عملکرد ساختار در انتقال حرارت را نشان دادند، ارائه گردیده است.

Thermal Performance Modeling of Liquid in Evaporator with Spherical Microstructures and Conical Micropillars

The heat transfer performance of passive twophase cooling devices such as heat pipes and vapor chambers is mainly depend on the topology and geometry of wick and evaporator microstructures. The desired characteristics of evaporator microstructures are high permeability, high wicking capability and large extended meniscus area that sustains thinfilm evaporation which choices of scale and porosity lead to tradeoffs between the desired characteristics. In the present study, the freesurface shapes of the static liquid meniscus in spherical microstructures and conical micropillar were modeled using gradient decent algorithm of Surface Evolver software and the nondimensional capillary pressure was determined based on curvature of surface. Permeability and heat transfer coefficient were computed using Fluent software as functions of the nondimensional geometrical parameter and the contact angle between the liquid and solid. Based on these performance parameters, due to high heat contact surface, decrease of cross section, increase of permeability and increase of thin film liquid due to extention of liquid on inclined surface, conical microstructures provide more efficient and desirable geometry for wicking and thinfilm evaporation. The solidliquid contact angle and geometrical parameter that yield the best performance were also identified.