آرمان صادقی

در عصر حاضر، با پیشرفت سریع فناوری و افزایش تقاضا برای دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر و قدرتمندتر، مدیریت حرارت به یکی از چالش‌های اصلی در طراحی سیستم‌های مختلف تبدیل شده است. این پژوهش به بررسی دقیق انتقال حرارت در میکروکانال‌های مستطیلی با شار حرارتی ثابت و متغیر می‌پردازد، که راه حلی امیدوارکننده برای این چالش محسوب می‌شود. در این مطالعه، یک میکروکانال مستطیلی به طول 1800 میکرومتر، عرض و ارتفاع 400 میکرومتر، و ضخامت 4 میکرومتر از جنس مس مورد بررسی قرار گرفت. انتخاب مس به عنوان ماده سازنده میکروکانال به دلیل ضریب هدایت حرارتی بالای آن صورت گرفت که امکان انتقال حرارت موثرتر را فراهم می‌کند. همچنین هوا به عنوان سیال عامل استفاده شد. انتخاب هوا به دلیل در دسترس بودن، ارزان بودن و عدم نیاز به سیستم‌های پیچیده تصفیه و بازیافت صورت گرفت. با این حال، چالش اصلی استفاده از هوا، ظرفیت حرارتی نسبتاً پایین آن در مقایسه با مایعات است که نیاز به طراحی دقیق سیستم را افزایش می‌دهد. در طول مطالعه، شارهای حرارتی مختلف به صورت ثابت و متغیر بر دیواره میکروکانال اعمال شد. این رویکرد امکان بررسی تأثیر الگوهای مختلف شار حرارتی بر عملکرد سیستم را فراهم کرد. شارهای حرارتی ثابت شرایطی را شبیه‌سازی می‌کنند که در بسیاری از کاربردهای عملی مانند خنک‌کاری پردازنده‌های کامپیوتری دیده می‌شود، در حالی که شارهای متغیر می‌توانند شرایط پیچیده‌تر مانند آنچه در سلول‌های خورشیدی یا راکتورهای هسته‌ای رخ می‌دهد را مدل کنند. این پژوهش با استفاده از مدل‌سازی عددی و شبیه‌سازی، به بررسی جامع پارامترهای موثر بر انتقال حرارت در میکروکانال‌ها پرداخت. از روش المان محدود برای حل معادلات حاکم استفاده شد و نتایج با استفاده از نرم‌افزار کامسول به دست آمد. نتایج این مطالعه نشان داد که افزایش طول ناحیه اعمال شار حرارتی، باعث بهبود انتقال حرارت می‌شود. این پدیده را می‌توان به افزایش زمان تماس بین سیال و سطح گرم شده نسبت داد که امکان تبادل حرارت بیشتر را فراهم می‌کند. به طور خاص، مشاهده شد که افزایش طول ناحیه شار حرارتی از 500 به 1500 میکرومتر، باعث افزایش 15% در نرخ انتقال حرارت کلی شد. یکی از یافته‌های مهم این پژوهش، تعیین نسبت منظر بهینه برای میکروکانال‌ها بود. نتایج نشان داد که میکروکانال‌هایی با نسبت تصویر کمتر از 0.8، بهترین عملکرد را از خود نشان دادند. این امر را می‌توان به افزایش سطح تماس بین سیال و دیواره‌های کانال در نسبت‌های تصویر پایین‌تر نسبت داد. به عنوان مثال، میکروکانال با نسبت تصویر 0.5 نسبت به میکروکانال با نسبت تصویر 1، افزایش 25% در ضریب انتقال حرارت جابجایی را نشان داد. علاوه بر این، مطالعه نشان داد که استفاده از سیالاتی با قابلیت انتقال حرارت بالا در افزایش کارایی سیستم موثر است. اگرچه در این پژوهش از هوا استفاده شد، اما نتایج نشان داد که استفاده از سیالاتی مانند آب یا نانوسیالات می‌تواند به طور قابل توجهی عملکرد سیستم را بهبود بخشد. به عنوان مثال، شبیه‌سازی‌های اولیه نشان داد که استفاده از آب به جای هوا می‌تواند نرخ انتقال حرارت را تا مقادیر قابل توجهی افزایش دهد. نتایج این مطالعه می‌تواند در طراحی بهینه سیستم‌های خنک‌کننده در صنایع مختلف از جمله الکترونیک، هوافضا و انرژی‌های تجدیدپذیر مورد استفاده قرار گیرد. به عنوان مثال، در طراحی سیستم‌های خنک‌کننده برای پردازنده‌های نسل آینده که چگالی حرارتی بالاتری دارند، می‌توان از یافته‌های این پژوهش در مورد نسبت منظر بهینه و طول ناحیه شار حرارتی استفاده کرد.