[논문 리뷰] 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 Fathi외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 13.

Heat Transfer and Optimization참고 문헌 18인용 수 6

한 줄 요약

이 수치적 연구는 수압과 열전달에 미치는 슬립 효과를 수소 및 액체 금속을 사용한 마이크로 스케일 열싱크에서 조사하며, 슬립 길이 2미크론이 동일한 질량 유량과 입구 레이놀즈 수에서 슬립 조건이 없는 경우에 비해 열유압 성능을 6% 향상시킨다—누셀트 수는 4% 증가하고 펌프 공급력은 8% 감소한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 벽면 슬립이 마이크로 스케일 열싱크에서 마찰 계수와 누셀트 수에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 마이크로채널에서 슬립 경계 조건과 슬립이 없는 조건 간의 열유압 성능을 비교하기 위해.
• 고열 방출 응용 분야에서 수소와 액체 금속이 슬립 조건 하에서 어떻게 작동하는지 평가하기 위해.
• 슬립 효과로 인한 열전달 효율 향상과 펌프 공급력 감소를 정량화하기 위해.
• 마이크로전자기기 및 고출력 시스템에서 작고 고성능의 열싱크 설계에 대한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 3차원 수치 시뮬레이션을 통해 마이크로 스케일 열싱크에서 난류 유동과 열전달을 수행하였다.
• 채널 벽면에서 최대 2미크론까지의 슬립 길이를 가진 슬립 경계 조건을 적용하였다.
• 슬립 효과를 모델링하기 위해 수정된 슬립이 없는 경계 조건을 적용한 라우르-니비에르 방정식을 사용하였다.
• 동일한 입구 레이놀즈 수와 질량 유량 조건에서 수소와 액체 금속(예: 갈륨 기반 합금)을 시뮬레이션하였다.
• 마찰 계수, 누셀트 수, 펌프 공급력 등의 주요 성능 지표를 계산하였다.
• 슬립 경계 조건과 슬립이 없는 조건 간의 결과를 비교하여 성능 향상을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 벽면 슬립은 마이크로 스케일 열싱크에서 마찰 계수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 슬립 길이는 누셀트 수와 열전달 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 슬립은 마이크로채널 열싱크에서 펌프 공급력 요구량을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ4 슬립 조건 하에서 수소와 액체 금속 간의 열유압 성능 지표는 어떻게 비교되는가?
• RQ5 슬립 경계 조건은 고열유량 응용 분야에서 전체 열유압 성능 지수를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 슬립 길이 2미크론은 슬립이 없는 조건에 비해 전체 열유압 성능을 약 6% 향상시킨다.
• 동일한 질량 유량과 입구 레이놀즈 수 조건에서 채널 평균 누셀트 수는 슬립 조건에서 4% 증가한다.
• 슬립 길이가 2미크론으로 설정될 경우 펌프 공급력이 8% 감소하여 에너지 소비가 낮아진다.
• 슬립은 점성 저항 감소로 인해 마찰 계수를 최대 30%까지 감소시키며, 이는 유압 직경에 따라 달라진다.
• 성능 향상은 수소와 액체 금속 모두에서 일관되게 나타나지만, 액체 금속는 본질적으로 높은 열전달 계수를 보인다.
• 결과는 벽면 슬립이 고열 방출 응용 분야에서 마이크로 스케일 열싱크의 열유압 효율을 크게 향상시킨다는 것을 확인한다.