[論文レビュー] Numerical Study on Flow and Heat Transfer of Water and Liquid Metals Within Micro-Scale Heat Sinks for High Heat Dissipation Rate Applications

Mahyar Pourghasemi, Nima Fathi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2021

Heat Transfer and Optimization参考文献 18被引用数 6

ひとこと要約

この数値研究では、水および液体金属を用いたマイクロスケールヒートシンクにおけるスリップ効果が流れおよび熱伝達に与える影響を調査し、2マイクロメートルのスリップ長が、同じ質量流量および入口レイノルズ数条件下で、滑らかでない条件と比較して、熱流体性能を6%向上させることを示している。これは、ヌセルト数を4%向上させ、ポンプ駆動消費電力を8%削減することで実現される。

ABSTRACT

Compact and small-scale heat exchangers can handle high heat dissipation rates due to their large surface area to volume ratios. Applications involving high heat dissipation rates include, but are not limited to, compact microelectronic processing units, high power laser arrays, fuel cells, as well as fission batteries. Low maintenance cost, small size and dimensions, as well as high convective heat transfer coefficients, make micro-scale heat sinks an efficient and reliable cooling solution for applications with high heat dissipation rates. Despite these advantages, the large pressure drop that occurs within micro-scale heat sinks has restricted their utilization. Slip at the walls of microchannels has been reported to reduce friction factor up to 30%, depending on the hydraulic diameter of the microchannel. Numerical investigations are conducted to comprehensively investigate the effect of slip at walls on friction factor and Nusselt number of liquid flows in micro-scale heat sinks. At the same mass flow rate and inlet Reynolds number, obtained results suggest that slip length on the order of 2 microns enhances the overall thermalhydraulic performance of micro heat sinks by almost 6% in comparison with no-slip boundary conditions. 4% increase is observed in channel average Nusselt number while pumping power reduces by 8% in comparison with no-slip boundary condition.

研究の動機と目的

• 壁面スリップがマイクロスケールヒートシンクにおける摩擦係数およびヌセルト数に与える影響を評価すること。
• マイクロチャネルにおける滑らかでない境界条件とスリップ境界条件の間での熱流体性能を比較すること。
• 高熱放出応用を想定したスリップ条件下での水および液体金属の性能を評価すること。
• スリップ効果による熱伝達効率の向上およびポンプ駆動消費電力の低減を定量すること。
• マイクロエレクトロニクスおよび高出力システムにおけるコンactかつ高性能なヒートシンクの設計インサイトを提供すること。

提案手法

• マイクロスケールヒートシンクにおける層流の流れおよび熱伝達を3次元数値シミュレーションで実施した。
• チャネル壁面に最大2マイクロメートルのスリップ長を有するスリップ境界条件を適用した。
• スリップ効果をモデル化するために、修正された滑らかでない境界条件を用いたナビエ＝ストークス方程式を用いた。
• 同じ入口レイノルズ数および質量流量条件下で、水および液体金属（例：ガリウムベース合金）をシミュレートした。
• 主要な性能指標（摩擦係数、ヌセルト数、ポンプ駆動消費電力）を算出した。
• 滑らかでない条件とスリップ境界条件との間で結果を比較し、性能向上を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 壁面スリップはマイクロスケールヒートシンクにおける摩擦係数にどのように影響するか？
• RQ2 スリップ長はヌセルト数および熱伝達強化にどのような効果を及ぼすか？
• RQ3 スリップはマイクロチャネルヒートシンクにおけるポンプ駆動消費電力要件をどの程度低減するか？
• RQ4 スリップ条件下での水と液体金属の熱流体性能指標はどのように比較されるか？
• RQ5 スリップ境界条件は、高熱フラックス応用において、全体の熱流体性能インデックスを向上させることができるか？

主な発見

• 2マイクロメートルのスリップ長は、滑らかでない条件と比較して、全体の熱流体性能を約6%向上させる。
• 同じ質量流量および入口レイノルズ数条件下で、スリップ条件下ではチャネル平均ヌセルト数が4%向上する。
• スリップ長が2マイクロメートルに設定された場合、ポンプ駆動消費電力は8%低減され、エネルギー消費が低減していることを示している。
• スリップにより、粘性抵抗が低減されるため、スリップ長に応じて摩擦係数は最大30%まで低下する（水力直径に依存）。
• 性能向上は水および液体金属の両方で一貫しており、液体金属は本質的に高い熱伝達係数を示す。
• 結果から、壁面スリップがマイクロスケールヒートシンクにおける熱流体効率を顕著に向上させ、高熱放出応用に適していることが確認された。