Thermal and fluid flow performance analysis of tubular microchannel heat sinks with inward protrusions and nanofluids

Abstract

Neste trabalho, a aplicação de saliências e nanofluidos para melhorar o desempenho do dissipador de calor tubular-microcanal (MCHS) é proposta e investigada computacionalmente. As equações tridimensionais de Navier-Stokes e de energia foram resolvidas numericamente usando o método de volumes finitos incorporado ao pacote de software ANSYS (Fluent). Foram investigados os efeitos de diferentes tipos de nanofluido (Al2O3, CuO, ZnO em água pura), a fração volumétrica das nanopartículas (0% a 4%) e a altura da saliência (2 μm-6 μm) em dissipadores de calor de microcanais sob a condição de estado estacionário e números de Reynold (400-2 000) com fluxo de calor constante de 9×106W/m2.Foi revelado que o desempenho térmico melhorou à medida que a altura da saliência aumentou. Em Re = 2 000, para Al2O3 nanofluido (NAN) com uma fração de volume (∅) de 4% e uma altura de protrusão (H) de 2 μm a 6 μm produziu um valor de desempenho térmico de 1,59, 1,68, 1,77, 1,86, e 1,96 vezes a do MCHS sem a saliência, respectivamente. Além disso, em uma fração de volume de 4%, altura de protrusão de 6 μm e número de Reynolds de 800, os nanofluidos Al2O3, CuO e ZnO produziram um valor de desempenho térmico de 1,79, 1,08 e 1,07 vezes o da água pura, respectivamente. Além disso, em um número de Reynolds de400 e uma fração de volume de 4%, o nanofluido Al2O3-água reduziu a temperatura máxima da parede MCHS em 4%, enquanto os nanofluidos CuO e ZnO diminuíram a temperatura máxima da parede MCHS em 0,5%. e 0,48% em relação à água pura, respectivamente. No entanto, para todos os casos de fração volumétrica (1% a 4%), houve uma tendência de aumento no valor do desempenho térmico para a faixa de números de Reynolds de 400≤Re≤800, e diminuição com a faixa de números de Reynolds de 800≤ Re≤2 000.In this work, the application of protrusions and nanofluids to improve the performance of tubular-microchannel heat sink (MCHS) is proposed and investigated computationally. The three-dimensional Navier-Stokes and energy equations were solved numerically using the finite volume method incorporated into the ANSYS (Fluent) software package. The effects of different types of nanofluid (Al2O3, CuO, ZnO in pure water), the volume fraction of the nanoparticles (0% to 4%) and height of the protrusion ( 2um-6um) on microchannel heat sinks were investigated under the steady-state condition and Reynold numbers (400-2000) with constant heat flux of 9 x 106 W/m2. It was revealed that thermal performance improved as protrusion height increased. At Re=2 000 , for Al2O3 nanofluid (NAN) with a volume fraction ( of 4% and a protrusion height (H) of 2um to 6um yielded a thermal performance value of 1.59, 1.68, 1.77, 1.86, and 1.96 times that of MCHS without the protrusion, respectively. In addition, at a volume fraction of 4%, protrusion height of 6um and Reynolds number of 800, the Al2O3, CuO, and ZnO nanofluids yielded a thermal performance value of 1.79, 1.08, and 1.07 times that of pure water, respectively. Furthermore, at a Reynolds number of 400 and a volume fraction of 4%, the Al2O3–water nanofluid reduced the maximum temperature of the MCHS wall by 4% , whereas - and -nanofluids decreased the MCHS wall maximum temperature by 0.5% and 0.48% when compared to pure water, respectively. However, for all the cases of volume fraction (1% to 4%), there was an increase trend in the value of thermal performance for the Reynolds number range of 400 to 800 , and decrease with the Reynolds number range of 800 to 2000.