현대 전자 설계의 패러다임 전환은 속도, 전력 및 소형화에 대한 욕구를 충족시키기위해 효율적인 운영을 위해 혁신적인 열 관리 기술이 필요한다. 나노 유체는 기존 유체에서 나노 크기의 금속 / 비금속 물질을 안정적으로 서스펜션으로 설계 한 새로운 열유체로 최적화 된 열 성능의 장점을 보여준다. 그러나 나노 유체의 실제 응용은 ...
현대 전자 설계의 패러다임 전환은 속도, 전력 및 소형화에 대한 욕구를 충족시키기위해 효율적인 운영을 위해 혁신적인 열 관리 기술이 필요한다. 나노 유체는 기존 유체에서 나노 크기의 금속 / 비금속 물질을 안정적으로 서스펜션으로 설계 한 새로운 열유체로 최적화 된 열 성능의 장점을 보여준다. 그러나 나노 유체의 실제 응용은 연구 데이터가 불충분하고 일관성이 없기 때문에 아직 초기 단계에 있다. 따라서 본 연구는 나노 유체의 강제 대류를 시뮬레이션하기위한 수치적 방법과 전자 냉각 목적을위한 pin-fin방열판에서 나노 유체의 성능 평가를 조사하는 것을 목표로 한다. 처음에는 다중상호 작용을 고려하여 비 구형 나노 입자 (디스크 및 관형)가있는 나노 유체의 강제 대류를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 단일 및 다상 수치 방식을 평가한다. 조사 된 다상 모델에는 다상 Eulerian-Eulerian (Mixture, Eulerian) 및 Lagrangian-Eulerian 모델이 포함된다. 이후에 가장 적합한 모델은 날카 롭고 능률적 인 pin-fin구성의 pin-fin방열판에서 하이브리드 나노 유체의 열수 특성을 조사하는 데 사용된다. 마지막으로, 연구는 유선형 pin-fin의 엇갈린 조립으로 pin-fin 방열판의 성능 최적화를위한 새로운 나노 유체 기반 새로운MXene의 준비, 특성화, 실험 및 수치 테스트로 확장된다. 레이놀즈수가 낮고 간기 상호 작용이 무시할 수있을 때에는 단일 및 모든 다상 (Eulerian-Eulerian 및 Lagrangian-Eulerian) 수치 접근 방식이 희석 된 나노 유체에 대한 열전달 계수 결과를 합리적으로 정확하게 결과로 표시한다. 그러나 더 큰 입자 농도에서 단상 및 Eulerian-Eulerian 모델은 과대 평가하는 반면 Lagrangian-Eulerian은 가장 정확한 열 전달 계수 결과를 제공한다. 그러나 열적 불일치에도 불구하고 모든 수치 모델은 연구 된 모든 나노 입자 농도와 레이놀즈수에서 매우 정확한 압력 강하 결과를 결정한다. /water하이브리드 나노 유체의 활용은 모든 pin-fin구성에 대한 방열판의 성능 향상을 보여준다. 모서리가 날카로운 핀 핀 구성에 비해 유선형 핀 핀 모양은 핀 핀의 후류 폭을 줄이고 좁은 후류에서 강렬한 유체 혼합으로 인해 열 전달 향상을 촉진한다. 날카로운 pin-fin 구성에 비해 유선형 pin-fin 모양은 pin-fin의 후류 폭을 줄이고 좁은 후류에서 강렬한 유체 혼합으로 인해 열 전달 향상을 촉진한다. 핀핀 방열판의 MXene-H2O 나노 유체의 경우, 나노 입자 농도가 0.013vol % 및 0.027vol % 일 때 레이놀즈수가 2000으로 평균 Nusselt 수의 최대 29.8 % 및 40.5 % 향상 확정된다. 그러나 나노 입자의 추가는 또한 더 큰 나노 입자 농도에서 상대적으로 더 높은 마진으로 유체 펌핑 파워를 증가시킨다. 0.027vol % (더 큰 레이놀즈에서 상당한 여유가 있음)에 비해 0.013vol %의 나노 유체의 더 높은 성능 평가 기준은 최소 압력 강하를 희생하면서 최적의 열 성능을 얻기위한 최적의 나노 입자 농도를 의미한다.
현대 전자 설계의 패러다임 전환은 속도, 전력 및 소형화에 대한 욕구를 충족시키기위해 효율적인 운영을 위해 혁신적인 열 관리 기술이 필요한다. 나노 유체는 기존 유체에서 나노 크기의 금속 / 비금속 물질을 안정적으로 서스펜션으로 설계 한 새로운 열유체로 최적화 된 열 성능의 장점을 보여준다. 그러나 나노 유체의 실제 응용은 연구 데이터가 불충분하고 일관성이 없기 때문에 아직 초기 단계에 있다. 따라서 본 연구는 나노 유체의 강제 대류를 시뮬레이션하기위한 수치적 방법과 전자 냉각 목적을위한 pin-fin방열판에서 나노 유체의 성능 평가를 조사하는 것을 목표로 한다. 처음에는 다중상호 작용을 고려하여 비 구형 나노 입자 (디스크 및 관형)가있는 나노 유체의 강제 대류를 정확하게 시뮬레이션하기 위해 단일 및 다상 수치 방식을 평가한다. 조사 된 다상 모델에는 다상 Eulerian-Eulerian (Mixture, Eulerian) 및 Lagrangian-Eulerian 모델이 포함된다. 이후에 가장 적합한 모델은 날카 롭고 능률적 인 pin-fin구성의 pin-fin방열판에서 하이브리드 나노 유체의 열수 특성을 조사하는 데 사용된다. 마지막으로, 연구는 유선형 pin-fin의 엇갈린 조립으로 pin-fin 방열판의 성능 최적화를위한 새로운 나노 유체 기반 새로운MXene의 준비, 특성화, 실험 및 수치 테스트로 확장된다. 레이놀즈수가 낮고 간기 상호 작용이 무시할 수있을 때에는 단일 및 모든 다상 (Eulerian-Eulerian 및 Lagrangian-Eulerian) 수치 접근 방식이 희석 된 나노 유체에 대한 열전달 계수 결과를 합리적으로 정확하게 결과로 표시한다. 그러나 더 큰 입자 농도에서 단상 및 Eulerian-Eulerian 모델은 과대 평가하는 반면 Lagrangian-Eulerian은 가장 정확한 열 전달 계수 결과를 제공한다. 그러나 열적 불일치에도 불구하고 모든 수치 모델은 연구 된 모든 나노 입자 농도와 레이놀즈수에서 매우 정확한 압력 강하 결과를 결정한다. /water하이브리드 나노 유체의 활용은 모든 pin-fin구성에 대한 방열판의 성능 향상을 보여준다. 모서리가 날카로운 핀 핀 구성에 비해 유선형 핀 핀 모양은 핀 핀의 후류 폭을 줄이고 좁은 후류에서 강렬한 유체 혼합으로 인해 열 전달 향상을 촉진한다. 날카로운 pin-fin 구성에 비해 유선형 pin-fin 모양은 pin-fin의 후류 폭을 줄이고 좁은 후류에서 강렬한 유체 혼합으로 인해 열 전달 향상을 촉진한다. 핀핀 방열판의 MXene-H2O 나노 유체의 경우, 나노 입자 농도가 0.013vol % 및 0.027vol % 일 때 레이놀즈수가 2000으로 평균 Nusselt 수의 최대 29.8 % 및 40.5 % 향상 확정된다. 그러나 나노 입자의 추가는 또한 더 큰 나노 입자 농도에서 상대적으로 더 높은 마진으로 유체 펌핑 파워를 증가시킨다. 0.027vol % (더 큰 레이놀즈에서 상당한 여유가 있음)에 비해 0.013vol %의 나노 유체의 더 높은 성능 평가 기준은 최소 압력 강하를 희생하면서 최적의 열 성능을 얻기위한 최적의 나노 입자 농도를 의미한다.
The paradigm shift in modern electronic designs to satisfy the appetite of speed, power, and miniaturization, requires innovative thermal management techniques for efficient operation. Nanofluids, a new class of thermo-fluids engineered by the stable suspension of nano-sized metallic/non-metallic en...
The paradigm shift in modern electronic designs to satisfy the appetite of speed, power, and miniaturization, requires innovative thermal management techniques for efficient operation. Nanofluids, a new class of thermo-fluids engineered by the stable suspension of nano-sized metallic/non-metallic entities in the conventional fluids, exhibit the advantages of enhanced thermal performance. However, the practical applications of the nanofluids are still in infancy due to the insufficient and inconsistent research data. Therefore, this study is aimed at investigating the numerical methods to simulate forced convection of nanofluids and experimental evaluation of the performance of a novel MXene based nanofluid in pin-fin heat sinks for electronic cooling purposes. Initially, single and multiphase numerical approaches are evaluated to accurately simulate forced convection of nanofluids with non-spherical nanoparticles (disc- and tubular-shaped) by considering multiple interphase interactions. The investigated multiphase models include multiphase Eulerian-Eulerian (Mixture, Eulerian) and Lagrangian-Eulerian models. The best-suited model is subsequently utilized to investigate the hydrothermal characteristics of Al_2 O_3-Cu/H_2 O hybrid nanofluid in a pin-fin heat sink with sharp and streamlined pin-fin configurations. Finally, the research is extended to the preparation, characterization, experimental and numerical testing of the novel MXene based nanofluid for the performance optimization of the pin-fin heat sink with the staggered assembly of streamlined pin-fins. The results demonstrate that the single and all the multiphase (Eulerian-Eulerian and Lagrangian-Eulerian) numerical approaches estimate reasonably accurate heat transfer coefficient results for diluted nanofluids at low Reynolds number when the interphase interactions are negligible. However, at larger particle concentrations, the single-phase and Eulerian–Eulerian models overestimate, while, the Lagrangian-Eulerian provides the most accurate heat transfer coefficient results. Yet, despite the thermal discrepancies, all numerical models determine quite accurate pressure drop results at all the studied nanoparticle concentrations and Reynolds number. The utilization of Al_2 O_3-Cu/water hybrid nanofluid demonstrates the performance improvement of the heat sink for all the pin-fin configurations. Compared to the sharp-cornered pin-fin configurations, the streamlined pin-fin shapes reduce the wake width of the pin-fins and promote heat transfer enhancement due to intense fluid mixing in the narrow wake. For the case of MXene-H2O nanofluid in the pin-fin heat sink, a maximum of 29.8% and 40.5% enhancement in average Nusselt number is noticed for the nanoparticle concentrations of 0.013vol% and 0.027vol% respectively, at the Reynolds number of 2000. Though, the addition of nanoparticles also results in the augmentation of the fluid pumping power with a relatively higher margin at the larger nanoparticle concentration. The higher performance evaluation criteria of the nanofluid with 0.013vol% compared to the 0.027vol% (with a significant margin at the larger Reynolds) implies an optimal nanoparticle concentration for obtaining an optimum thermal performance at the expense of least pressure drop.
The paradigm shift in modern electronic designs to satisfy the appetite of speed, power, and miniaturization, requires innovative thermal management techniques for efficient operation. Nanofluids, a new class of thermo-fluids engineered by the stable suspension of nano-sized metallic/non-metallic entities in the conventional fluids, exhibit the advantages of enhanced thermal performance. However, the practical applications of the nanofluids are still in infancy due to the insufficient and inconsistent research data. Therefore, this study is aimed at investigating the numerical methods to simulate forced convection of nanofluids and experimental evaluation of the performance of a novel MXene based nanofluid in pin-fin heat sinks for electronic cooling purposes. Initially, single and multiphase numerical approaches are evaluated to accurately simulate forced convection of nanofluids with non-spherical nanoparticles (disc- and tubular-shaped) by considering multiple interphase interactions. The investigated multiphase models include multiphase Eulerian-Eulerian (Mixture, Eulerian) and Lagrangian-Eulerian models. The best-suited model is subsequently utilized to investigate the hydrothermal characteristics of Al_2 O_3-Cu/H_2 O hybrid nanofluid in a pin-fin heat sink with sharp and streamlined pin-fin configurations. Finally, the research is extended to the preparation, characterization, experimental and numerical testing of the novel MXene based nanofluid for the performance optimization of the pin-fin heat sink with the staggered assembly of streamlined pin-fins. The results demonstrate that the single and all the multiphase (Eulerian-Eulerian and Lagrangian-Eulerian) numerical approaches estimate reasonably accurate heat transfer coefficient results for diluted nanofluids at low Reynolds number when the interphase interactions are negligible. However, at larger particle concentrations, the single-phase and Eulerian–Eulerian models overestimate, while, the Lagrangian-Eulerian provides the most accurate heat transfer coefficient results. Yet, despite the thermal discrepancies, all numerical models determine quite accurate pressure drop results at all the studied nanoparticle concentrations and Reynolds number. The utilization of Al_2 O_3-Cu/water hybrid nanofluid demonstrates the performance improvement of the heat sink for all the pin-fin configurations. Compared to the sharp-cornered pin-fin configurations, the streamlined pin-fin shapes reduce the wake width of the pin-fins and promote heat transfer enhancement due to intense fluid mixing in the narrow wake. For the case of MXene-H2O nanofluid in the pin-fin heat sink, a maximum of 29.8% and 40.5% enhancement in average Nusselt number is noticed for the nanoparticle concentrations of 0.013vol% and 0.027vol% respectively, at the Reynolds number of 2000. Though, the addition of nanoparticles also results in the augmentation of the fluid pumping power with a relatively higher margin at the larger nanoparticle concentration. The higher performance evaluation criteria of the nanofluid with 0.013vol% compared to the 0.027vol% (with a significant margin at the larger Reynolds) implies an optimal nanoparticle concentration for obtaining an optimum thermal performance at the expense of least pressure drop.
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