[論文レビュー] Conjugate heat transfer effects on flow boiling in microchannels

F. Municchi, Ismail El Mellas+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2022

Heat Transfer and Boiling Studies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、カスタムVOFおよび相変化モデルを搭載したOpenFOAMを用いて、非円形マイクロチャネル内の沸騰流れにおける共役熱伝達効果を調査した。結果として、低いアスペクト比のチャネル（ε < 1）は、わずかに低いヌセルト数であるものの、熱抵抗の低減により、蒸発器基板温度が低くなることが示された。これは、マイクロチャネル蒸発器のシステムレベル性能最適化において、固体相の熱伝導が果たす重要な役割を強調している。

ABSTRACT

This article presents a computational study of saturated flow boiling in non-circular microchannels. The unit channel of a multi-microchannel evaporator, consisting of the fluidic channel and surrounding evaporator walls, is emulated and the conjugate heat transfer problem is solved. Simulations are performed using OpenFOAM v2106 and the built-in geometric Volume Of Fluid method, augmented with self-developed libraries to include liquid-vapour phase-change and improve the surface tension force calculation. A systematic study is conducted by employing water at atmospheric pressure, a channel hydraulic diameter of Dh = 229 um, a uniform base heat flux of qb = 100kW/m2, and by varying the channel width-to-height aspect-ratio and channel fin thickness in the range AR = 0.25-4 and Wf = Dh/8-Dh, respectively. The effects of conjugate heat transfer and channel aspect-ratio on the bubble and evaporative film dynamics, heat transfer, and evaporator temperature are investigated in detail. This study reveals that, when the flow is single-phase, higher Nusselt numbers and lower evaporator temperatures are achieved for AR &lt; 1. In the two-phase flow regime, the trends of the Nusselt number versus the aspect-ratio are mixed, although for smaller channel fins an ascending trend of Nu for increasing aspect-ratios is apparent. Nonetheless, due to conjugate heat transfer, Nusselt numbers and evaporator base temperatures follow different trends when varying the aspect-ratio, and channels with AR &lt; 1 seem to promote lower evaporator temperatures than higher aspect-ratio conduits, despite exhibiting slightly worse two-phase convective heat transfer performances.

研究の動機と目的

• 共役熱伝達およびチャネルアスペクト比がマイクロチャネル内の沸騰流れに与える影響を分析すること。
• チャネル形状（アスペクト比εおよびフィン幅Wf）が気泡ダイナミクス、液体膜の形状、および熱伝達性能に与える影響を調査すること。
• 蒸発器基板温度を最小限に抑えつつ、熱伝達効率を最大化する最適なチャネル構成を特定すること。
• 一様な熱フラックス条件下におけるマルチマイクロチャネル蒸発器において、固体伝導、二相流のダイナミクス、および熱伝達の相乗的な影響を評価すること。
• 流体力学的要因と熱抵抗の複雑な結合を解明することで、高効率マイクロチャネルヒートスイープの物理的設計指針を提示すること。

提案手法

• 液体-蒸気界面を追跡するために、OpenFOAM v2106を用いた幾何的ボリューム・オブ・フラッド（VOF）法を用いた数値シミュレーションを実施した。
• 表面張力の計算を改善し、液体-蒸気相変化を正確にモデル化するために、自作のライブラリを導入した。
• 1つのユニットチャネルと周囲の蒸発器壁を、3面加熱系としてモデル化した。熱は固体壁を通じた伝導と、流体-固体界面での対流によって供給された。
• 水を用い、大気圧（Tsat = 100 °C）下で、水力的直径（Dh = 229 μm）、基板熱フラックス（qb = 100 kW/m²）、質量流量を一定に維持した。
• アスペクト比εを0.25から4に変化させ、フィン幅WfをDh/8からDhの範囲で変化させ、壁面を親水性とした。
• ヌセルト数（Nu）および蒸発器基板温度を用いて熱伝達性能を評価した。特に、液体膜厚さおよび乾き帯のパターンに注目した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共役熱伝達は、マイクロチャネル沸騰流れにおけるアスペクト比と熱伝達性能の関係にどのように影響を与えるか？
• RQ2 チャネル幅高さ比（ε）を変化させた場合、非円形マイクロチャネル内での気泡ダイナミクスおよび液体膜形状にどのような影響があるか？
• RQ3 なぜε < 1の構成が、二相流においてわずかに低いヌセルト数であるにもかかわらず、蒸発器基板温度が低くなるのか？
• RQ4 壁面における液体膜厚さおよび乾き帯が、局所的および平均的熱伝達係数にどのように影響を与えるか？
• RQ5 固体壁の熱抵抗が、流体側熱伝達の傾向を上回るほど、システムレベルの性能を支配する程度はどの程度か？

主な発見

• 単相流では、アスペクト比が低いチャネル（ε < 1）において、垂直壁の対流熱伝達寄与度の増加により、ヌセルト数が増加し、蒸発器基板温度が低下する。
• 二相流では、アスペクト比に伴うヌセルト数の傾向は混合的であるが、フィン幅が小さい（Wf）場合、εの増加に伴いNuの上行傾向が観察された。
• わずかに低いヌセルト数であるにもかかわらず、共役熱伝達による全体熱抵抗の低減のおかげで、ε < 1の構成が、蒸発器基板温度を低く維持することができた。
• 低εチャネルでは、広い壁面に薄い液体膜が形成されるが、これらの膜はドレイン（乾き）を起こしやすく、熱伝達効率を低下させる。
• 高アスペクト比では、気泡の成長が速いため、より厚い液体膜が持続し、乾きをより効果的に防ぎ、局所的熱伝達率を高く維持することができる。
• 固体伝導、気泡ダイナミクス、液体膜形状の相乗的影響により、熱伝達係数と基板温度の間で相反する傾向が生じ、システムレベルのモデリングなしでは一般化された最適化ルールは適用できない。