توصيفگر ها :
تئوري ساختاري , ميكروكانال‌ها , مواد خودترميم , انتقال حرارت جابجايي
چكيده فارسي :
با توجه به گسترش و استفاده از تكنولوژي مواد خودترميم در افزايش طول عمر تجهيزات، همچنين ساخت قطعات در مقياس ميكرو و نانو با توليد حرارت بالا، لزوم بررسي در خصوص خنك كاري وترميم اين قطعات را بيش از پيش مهم مي‌سازد. از مهم‌ترين زمينه‌هاي كاربرد اين قطعات، صنايع الكترونيك و نظامي هستند. كاركرد بهينه اين ساختارها ارتباط مستقيمي با دماي آنها دارد و نگهداري دماي اين مكانيزم در سطحي كه سيستم كارايي خود را حفظ كند از اهميت بالايي برخوردار است. هدف از انجام تحقيق در اين زمينه كاهش بيشينه دماي قطعه، در زمان اعمال شار حرارتي ناشي از آسيب به ساختار موردبحث مي‌باشد. روش‌هاي مختلفي جهت افزايش راندمان فرايند خنك كاري اين ساختارها وجود دارد كه از اين ميان ميكروكانال‌هاي جاذب حرارت با برخورداري از ضريب انتقال حرارت قابل قبول، بسيار موردتوجه واقع شده‌اند. يكي از روش‌هايي كه در بهينه‌سازي ساختار ميكروكانال ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد استفاده از تئوري ساختاري است. در اين تئوري با استفاده از طراحي ساختارهاي مختلف به بهينه‌سازي معماري ميكروكانال ها پرداخته خواهد شد.
در اين پروژه با بهره‌گيري از تئوري ساختاري، به بررسي خنك كاري يك قطعه مربعي شكل كه از دولايه، متشكل از يك لايه خنك‌كننده در بالا و يك لايه حاوي شبكه‌اي از مواد خودترميم در زير است، پرداخته‌شده است. با فرض بروز ترك و اعمال شار حرارتي به زير قطعه مربعي شكل، سيال از ورودي ميكروكانال لايه خنك‌كننده واردشده و از شبكه كانال‌كشي موجود در لايه خنك‌كن عبور مي‌كند و مجدداً سيال توسط كانال‌هاي برگشت جمع‌آوري‌شده و از مركز قطعه خارج مي‌گردد و اين فرايند پي‌درپي تكرار مي‌شود. هدف، طراحي ساختاري و هندسه بهينه‌اي از لايه خنك‌كننده مي‌باشد كه در زمان قرار گرفتن تحت شار حرارتي ثابت، در مدت‌زمان بيست ثانيه ابتدايي بروز ترك، بتواند بهترين عملكرد را داشته باشد و مقاومت حرارتي داراي كمترين مقدار خود باشد. مراحل طراحي و مدل‌سازي در نرم‌افزار catia و به كمك طراحي پارامتريك در اين نرم‌افزار، كدنويسي محاسبه هندسه‌ها در نرم‌افزار متلب و توليد شبكه، حل و استخراج نتايج توسط نرم افزار Ansys workbench صورت پذيرفت. ضريب‌شكل مربوط به طول ميكروكانال‌ها با پارامتري مانند a و ضريب شكل مربوط به ابعاد كانال در قسمت‌هاي مختلف ساختار درختي، با پارامتري مانند b نام‌گذاري شده است همچنين رابطه بين اندازه قطرها و انشعابات در هندسه‌هاي مدل‌سازي شده از قانون موري پيروي مي‌كنند. كسر حجمي ميكروكانال‌هاي لايه خنك‌كننده، برابر پنج درصد در نظر گرفته شده است. آب به‌عنوان سيال جاري در لايه خنك‌كننده، ماده دي‌سيكلو پنتادين به‌عنوان ماده خودترميم و جنس بدنه قطعه از سيليكون در نظر گرفته‌شده است. در مرحله اول از حل مسئله، به بررسي ضريب شكل‌هاي مربوط به طول ميكروكانال‌ها، مانند ضريب a و بعد از بدست آوردن طول بهينه در مرحله اول، به محاسبه قطر بهينه ميكروكانال ها پرداخته شده است. براي سه ساختار مختلف تعداد هفتاد و هفت هندسه مورد بررسي قرار گرفت كه در همه آنها با بررسي نتايج حاصل از تحليل‌هاي صورت گرفته شامل دماي ماكزيمم، دماي ميانگين و افت فشار در ورودي و خروجي هندسه‌هاي بهينه در سه ساختار مختلف مشخص شد. در مرحله بعد با استفاده از هندسه‌هاي بهينه شده در مراحل قبل به بررسي تأثير افزايش دبي بر دما و فشار، در پنج نرخ جريان متفاوت، پرداخته شده است و با بررسي نتايج بدست آمده ساختارهايي كه عملكرد بهتري در زمان افزايش دبي دارند، مشخص گرديده است. در مرحله آخر با بررسي تأثير جريان معكوس در هندسه‌هاي بهينه‌شده در سه ساختار موردبحث و استخراج نتايج مشاهده شد كه در صورت لزوم امكان استفاده از مسير معكوس در هندسه‌هاي بررسي‌شده وجود دارد؛ همچنين به‌كارگيري لايه خنك‌كننده منجر به كاهش بيشينه دماي قطعه به ميزان قابل‌توجهي خواهد شد.
چكيده انگليسي :
Due to the development and use of self-healing materials technology to increase the life of equipment, as well as the manufacture of micro and nano-scale parts with high heat generation, the need for research on cooling and repair of these parts becomes even more important. The most important fields of application of these parts are electronic and military industries. There are various methods to increase the cooling process efficiency of these structures, among which heat-absorbing microchannels with acceptable heat transfer coefficient have been highly regarded. One of the methods used in optimizing the structure of microchannels is the use of Constructal theory. In this theory, the architecture of microchannels will be optimized by designing different structures.
In this project, using Constructal theory, the cooling of a square piece consisting of two layers, consisting of a cooling layer at the top and a layer containing a network of self-healing materials below, has been investigated. Assuming cracks and heat fluxes below the square piece, the fluid enters from the microchannel inlet of the cooling layer and passes through the ductwork network in the cooling layer. The aim is to design the optimal structure and geometry of the cooling layer so that it can have the best performance and have the lowest thermal resistance in the first twenty seconds of cracking when exposed to a constant heat flux. Steps of design and modeling in catia software and with the help of parametric design in this software, coding, calculation of geometries in MATLAB software and network production, solving and extracting the results were done by Ansys workbench software. The shape coefficient related to the length of microchannels with a parameter such as "a" and the shape coefficient related to the dimensions of the channel in different parts of the tree structure are named with a parameter such as "b". The volume fraction of the cooling channel microchannels is considered to be equal to five percent. Water is considered as the flowing fluid in the cooling layer, "Dicyclopentadiene (DCPD)" is considered as the self-healing material and the body material of the piece is silicone. In the first stage of problem solving, the coefficient of shapes related to the length of microchannels, such as coefficient a, is investigated and after obtaining the optimal length in the first stage, the optimal diameter of microchannels is calculated. Seventy-seven geometries were studied for three different structures, in all of which the optimal geometries in three different structures were determined by examining the results of the analyzes including maximum temperature, mean temperature and pressure drop at the inlet and outlet. In the next step, using the optimized geometries in the previous steps, the effect of increasing the flow rate on temperature and pressure at five different flow rates is investigated, and by examining the obtained results, the structures that have better performance when increasing the flow rate are identified. . In the last stage, by examining the effect of reverse flow in the optimized geometries in the three structures under discussion and extracting the results, it was observed that if necessary, it is possible to use the reverse path in the studied geometries; the use of a cooling layer will lead to a significant reduction in the maximum temperature of the part.
Keywords: Constructal theory, Microchannels, Self-healing materials, Heat transfer
