[논문 리뷰] Conjugate heat transfer effects on flow boiling in microchannels

F. Municchi, Ismail El Mellas외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 17.

Heat Transfer and Boiling Studies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 OpenFOAM을 사용하여 비원형 미세채널에서의 유동비열에서의 공액 열전달 효과를 조사한다. 사용자 정의 VOF 및 상변화 모델을 적용하였다. 결과적으로, 낮은 비율의 채널(ε < 1)은 열전도 저항이 감소함에 따라 약간 낮아진 뉴셀 수치에도 불구하고 증발기 기저 온도가 낮아지며, 이는 미세채널 증발기의 체계적 성능 최적화에서 고체상 열전도의 핵심적 역할을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 공액 열전달 및 채널 비율이 미세채널에서의 유동비열에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 채널 기하구조(비율 ε 및 난방판 너비 Wf)가气거품 역학, 액체 필름 형태 및 열전달 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 증발기 기저 온도를 최소화하고 열전달 효율을 극대화하기 위한 최적의 채널 구성을 규명하기 위해.
• 균일한 열부하 조건 하에서 다중미세채널 증발기에서 고체 전도, 이상태유동 역학, 열전달 간의 상호작용을 평가하기 위해.
• 유체역학과 열저항 간의 복잡한 결합을 해결함으로써 고성능 미세채널 냉각기 설계를 위한 물리기반 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• 유체-기화계면을 추적하기 위해 기하학적 체적 요소 방법(VOF)을 사용한 OpenFOAM v2106를 기반으로 수치 시뮬레이션을 수행하였다.
• 표면장력력 계산 향상 및 액체-기화상 변화 정확한 모의를 위해 자체 개발 라이브러리를 구현하였다.
• 단일 채널 유닛과 주변 증발기 벽면을 3면이 가열된 시스템으로 모델링하였으며, 열은 고체 벽을 통한 전도와 유체-고체 인터페이스에서의 대류를 통해 공급되었다.
• 수압 직경(Dh = 229 μm), 기저 열부하(qb = 100 kW/m²), 질량유량을 일정하게 유지하였으며, 대기압에서의 물(Tsat = 100 °C)을 사용하였다.
• 비율 ε는 0.25에서 4로 변화시키고, 난방판 너비 Wf는 Dh/8에서 Dh까지 변화시켰으며, 수분성 벽면 조건을 적용하였다.
• 열전달 성능은 뉴셀 수(Nu)와 증발기 기저 온도를 통해 평가하였으며, 액체 필름 두께 및 건조 패턴에 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공액 열전달은 미세채널 유동비열에서 채널 비율과 열전달 성능 간의 관계에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 비원형 미세채널에서 채널 폭-높이 비율(ε)을 변화시킬 경우 기포 역학과 액체 필름 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 왜 ε < 1인 구성에서는 이중상 유동에서 뉴셀 수가 낮음에도 불구하고 증발기 기저 온도가 낮아지는가?
• RQ4 벽면에서의 액체 필름 두께와 건조 패치는 국부 및 평균 열전달 계수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고체 벽면의 열저항이 유체측 열전달 경향을 초월하여 체계적 성능을 지배하는 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 단상유동에서는 비율이 낮은 채널(ε < 1)에서 뉴셀 수가 증가하고 증발기 기저 온도가 감소하는데, 이는 수직 벽면이 대류 열전달에 기여하는 비율이 증가하기 때문이다.
• 이중상 유동에서는 비율에 따른 뉴셀 수 경향이 혼합되어 있으나, 난방판 너비가 작은 경우(특히 Wf가 작은 경우), ε 증가에 따라 Nu가 상승하는 경향을 보였다.
• 약간 낮은 뉴셀 수에도 불구하고, ε < 1 구성에서는 공액 열전달에 기인한 전체 열저항 감소로 인해 증발기 기저 온도가 낮아졌다.
• 저비율 채널에서는 넓은 벽면에 얇은 액체 필름이 형성되지만, 이러한 필름은 탈습 및 건조 패치 발생에 취약하여 열전달 효율을 떨어뜨린다.
• 높은 비율에서는 기포 성장 속도가 빨라 액체 필름 두께가 두꺼워지며, 이는 건조를 더 잘 저지하고 국소 열전달률을 높이는 데 기여한다.
• 고체 전도, 기포 역학, 액체 필름 형태 간의 상호작용으로 인해 열전달 계수와 기저 온도 간에 상충되는 경향이 발생하여, 체계적 모델링 없이 일반화된 최적화 규칙를 적용할 수 없다.