Mikrokanavaisten lämpönielujen lämmönsiirto ja numeerinen mallinnus
Arasalo, Lauri (2020)
2020
Tekniikan ja luonnontieteiden kandidaattiohjelma - Degree Programme in Engineering and Natural Sciences, BSc (Tech)
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2020-05-08
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004284219
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202004284219
Tiivistelmä
Mikrokanavaiset lämpönielut ovat pienikokoisia ja tehokkaita lämmönsiirtäjiä, joita voidaan käyttää elektroniikan jäähdytyksessä. Pienen kokonsa vuoksi mikrokanavaisten lämpönielujen suunnittelussa tarvitaan tehokkaita ja tarkkoja suunnittelutyökaluja, joilla pystytään tutkimaan mikroskaalan virtaus- ja lämmönsiirtoilmiöitä. Numeerinen virtauslaskenta on ohjelmistopohjainen suunnittelutyökalu, jolla pystytään vastaamaan näihin suunnittelutarpeisiin.
Tässä kandidaatintyössä tutkitaan mikrokanavaisten lämpönielujen numeerista mallinnusta. Työssä perehdytään numeeriseen mallinnusprosessiin sekä tutkitaan omalla numeerisella virtauslaskennalla, miten virtauksen luonne vaikuttaa mikrokanavan painehäviöön sekä seinämän lämpötilaan. Työssä selvitetään myös tapoja tehostaa lämmönsiirtoa mikrokanavaisissa lämpönieluissa.
Mikrokanavaisen lämpönielun lämmönsiirtoa voidaan kuvata neljällä hallitsevalla yhtälöllä. Virtauksen luonteen mukaan numeerisen mallinnusprosessin pituus vaihtelee. Jos virtaus on laminaari, prosessin kuvaamiseksi riittävät hallitsevat yhtälöt sekä reunaehdot. Turbulenttien hallitsevien yhtälöiden ratkaiseminen vaatii tietokoneilta erittäin paljon laskentatehoa, joten hallitsevat yhtälöt täytyy muokata laskennallisesti yksinkertaisempaan muotoon. Eräs tapa on Reynolds-keskiarvottaminen, josta saatavat RANS-yhtälöt voidaan ratkaista valitun turbulenssimallin avulla. Kun yhtälöitä ja tuntemattomia on yhtä paljon, voidaan ne ratkaista esimerkiksi tämän työn laskentaosiossa käytetyllä kontrollitilavuusmenetelmällä.
Työn laskentaosiossa simuloitiin mikrokanavaisen lämpönielun lämmönsiirtoa viidellä laminaarilla virtauksella ja viidellä turbulentilla virtauksella. Numeerisen laskennan perusteella todetaan, että turbulentti mikrokanavavirtaus ei ole sovelluskelpoinen, sillä siinä tapahtuvat painehäviöt ovat yli 30 kertaa suurempia kuin laminaarissa virtauksessa. Molemmilla virtaustyypeillä mikrokanavan seinämän lämpötila laskee virtausnopeuden kasvaessa. Turbulenteissa virtauksissa kanavan seinämän lämpötilan muutokset ovat kuitenkin hyvin pieniä verrattuna laminaareissa virtauksissa tapahtuviin lämpötilan muutoksiin.
Kirjallisuustutkimuksen perusteella mikrokanavaisen lämpönielun lämmönsiirtoon voidaan vaikuttaa muuttamalla kanavan geometriaa, lisäämällä kanavan pinta-alaa tappirivoilla tai muokkaamalla virtaavan fluidin ominaisuuksia. Lämmönsiirron kasvattaminen osoittautuu kuitenkin optimointitehtäväksi, sillä kasvattamalla kanavan tai fludin lämmönsiirto-ominaisuuksia, kasvatetaan myös kanavan painehäviötä.
Tässä kandidaatintyössä tutkitaan mikrokanavaisten lämpönielujen numeerista mallinnusta. Työssä perehdytään numeeriseen mallinnusprosessiin sekä tutkitaan omalla numeerisella virtauslaskennalla, miten virtauksen luonne vaikuttaa mikrokanavan painehäviöön sekä seinämän lämpötilaan. Työssä selvitetään myös tapoja tehostaa lämmönsiirtoa mikrokanavaisissa lämpönieluissa.
Mikrokanavaisen lämpönielun lämmönsiirtoa voidaan kuvata neljällä hallitsevalla yhtälöllä. Virtauksen luonteen mukaan numeerisen mallinnusprosessin pituus vaihtelee. Jos virtaus on laminaari, prosessin kuvaamiseksi riittävät hallitsevat yhtälöt sekä reunaehdot. Turbulenttien hallitsevien yhtälöiden ratkaiseminen vaatii tietokoneilta erittäin paljon laskentatehoa, joten hallitsevat yhtälöt täytyy muokata laskennallisesti yksinkertaisempaan muotoon. Eräs tapa on Reynolds-keskiarvottaminen, josta saatavat RANS-yhtälöt voidaan ratkaista valitun turbulenssimallin avulla. Kun yhtälöitä ja tuntemattomia on yhtä paljon, voidaan ne ratkaista esimerkiksi tämän työn laskentaosiossa käytetyllä kontrollitilavuusmenetelmällä.
Työn laskentaosiossa simuloitiin mikrokanavaisen lämpönielun lämmönsiirtoa viidellä laminaarilla virtauksella ja viidellä turbulentilla virtauksella. Numeerisen laskennan perusteella todetaan, että turbulentti mikrokanavavirtaus ei ole sovelluskelpoinen, sillä siinä tapahtuvat painehäviöt ovat yli 30 kertaa suurempia kuin laminaarissa virtauksessa. Molemmilla virtaustyypeillä mikrokanavan seinämän lämpötila laskee virtausnopeuden kasvaessa. Turbulenteissa virtauksissa kanavan seinämän lämpötilan muutokset ovat kuitenkin hyvin pieniä verrattuna laminaareissa virtauksissa tapahtuviin lämpötilan muutoksiin.
Kirjallisuustutkimuksen perusteella mikrokanavaisen lämpönielun lämmönsiirtoon voidaan vaikuttaa muuttamalla kanavan geometriaa, lisäämällä kanavan pinta-alaa tappirivoilla tai muokkaamalla virtaavan fluidin ominaisuuksia. Lämmönsiirron kasvattaminen osoittautuu kuitenkin optimointitehtäväksi, sillä kasvattamalla kanavan tai fludin lämmönsiirto-ominaisuuksia, kasvatetaan myös kanavan painehäviötä.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [10016]