شبیه‌سازی مبدل حرارتی MEMS

مثال زیر یک مسائله‌ی انتقال حرارت رسانشی و همرفتی را با رابط چند فیزیکی  Nonisothermal Flow بیان می‌دارد.

این مثال، مربوط به یک مبدل حرارتی MEMS (سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی) که در سیستم‌های تراشه‌ای در بیوتکنولوژی و در میکرو راکتور از قبیل میکروسلول‌های سوختی کاربرد دارد. این مدل انتقال حرارت سه بعدی را در حالت وجود پدیده‌های رسانش و همرفتی مورد بررسی قرار می‌دهد.

تعریف مدل

شکل 1 هندسه مبدل حرارتی را نشان می دهد. لازم است تنها یک سلول واحد را مدل کنیم زیرا به جز برای اثرات لبه در سلول های بیرونی، همه آنها تقریبا یکسان هستند.

سیملب سنتر
شکل1: نمایش بخشی از مبدل حرارتی سمت چپ.

معادله حاکم برای این مدل، معادله حرارت برای انتقال رسانایی گرما و همرفتی است$$\rho C_p \mathbf{u} .\nabla T+\nabla .(-k\nabla T)=Q$$

که \(C_p\) ظرفیت گرمایی ویژه (\(J/(kg.K)\)) و \(T\)، دما(\(K\)) و \(k\) ضریب رسانش گرمایی (\(W/(m.K)\)) و \(\rho\) نمایانگر چگالی(\(kg/m^3\)) و \(\mathbf{u}\) بردار سرعت(\(m/s\)) و \(Q\) هم نماد چشمه یا چاه حرارتی است که در اینجا صفر است چراکه تولید یا اتلاف حرارت در این سیستم وجود ندارد.

در قسمت جامد، سرعت صفر است و در قسمت سیال، سرعت از طریق فیزیک Laminar Flow محاسبه می‌گردد. رابط چندفیزیکی Nonisothermal Flow، نیز تغییرات چگالی و ویسکوزیتی را در اثر تغییرات دمایی، درنظر می‌گیرد.

شرایط مرزی برای انتقال گرما برای تمام سطوح بیرونی به جز مرزهای ورودی و خروجی کانال‌های مایع عایق هستند. در ورودی‌ها، درجه حرارت ثابت برای سیال گرم (\(T_{hot}\)) و سرد (\(T_{cold}\)) ، خواهیم داشت. در خروجی‌ها، انتقال حرارت همرفتی اهمیت داشته و غالب است، بنابراین شرایط مرزی شار حرارتی را اعمال کنید:$$-k\nabla T.\mathbf{n} =0$$

در دیوارهای کانال، سرعت صفر است. در ورودی یک پروفیل سرعت با سرعت متوسط 2.5 میلیمتر بر ثانیه اعمال می‌شود. در خروجی‌ها که انتقال گرمای همرفتی غالب است، شرایط مرزی خروجی فشار ثابت را خواهیم داشت.

نتایج و بحث

شکل 2، سطوح هم‌دما‌ی ناشی از انتقال حرارت به همراه خطوط جریان حرارتی رسانشی را نشان می‌دهد. سطوح هم‌دما نشان می‌دهد که قسمت انتقال حرارت همرفتی، حائز اهمیت بوده و در کانال، تاثیرگذار است. شکل 3 نیز نتیجه‌ی حاصل از بررسی مجموعه‌ای از سلول‌ها را در دستگاه اصلی نشان می‌دهد و همانطور که مشخص است، نتایج بسیار نزدیک به حل بخشی از مبدل حرارتی بوده و از تخمین مناسبی در مدل‌سازی استفاده شده است.

شکل2: سطوح هم‌دما و خطوط جریان حرارتی رسانشی در سلول واحد.
شکل3: سطوح هم‌دما و خطوط جریان حرارتی رسانشی در سلول واحد در سیستم گسترده‌ی اصلی.

ویدئوی شبیه‌سازی مبدل حرارتی MEMS

Reference

Application Library path: Heat_Transfer_Module/Heat_Exchangers/
heat_exchanger_ni

دیدگاه بگذارید

برای درج دیدگاه، لطفا وارد شوید
  مشترک شدن  
اطلاع از