Дата публикации: 26.04.2021
Исахов Алибек Абдиашимович, Орынғазина Жібек Болатқызы
Казахский Национальный университет им. аль-Фараби
АО «Казахстанско-Британский технический университет»
АННОТАЦИЯ
В этой статье мы представляем ламинарное перемешанное конвективное воздушное охлаждение 2-ух одинаковых источников тепла, изображающих электронные составляющие, которые установлены в наклонном канале. Нижняя стенка канала нагревается при стабильной температуре и охлаждается смешанной конвекцией ламинарного потока при относительно небольшой температуре. Чтобы оценить качественные предложения, позволяющих улучшить тепловую конструкцию электронных устройств, данное исследование адресовано на исследование влияния число Рейнольдса, угла наклона, величин источников тепла, расстояния между ними. Все математические и физические предположения были проверены численным моделированием с использованием ANSYS FLUENT. Для проверки математической модели и численного метода тестовые задачи решались численно. Для численного решения данной задачи используется численный алгоритм SIMPLE. Итоги численного моделирования демонстрируют, то что теплопередача значительно возрастает при Pr=0,71 также при 5≤Re≤200. Полученные результаты показывают, что размеры источников тепла, число Рейнольдса, расстояния между ними, угол наклона канала оказывают существенное влияние на улучшение теплообмена внутри канала. Мы обнаружили, что общая теплопередача усиливается с увеличением высоты и ширины электронного компонента.
Ключевые слова: Смешанная конвекция, канал, охлаждение, электронные компоненты, численное моделирование.
ТҮЙІНДЕМЕ
Бұл мақалада біз көлбеу арнаға орнатылған электрондық компоненттерді бейнелейтін 2 бірдей жылу көздерінің ламинарлы аралас конвективті ауа салқындатуын ұсынамыз. Арнаның төменгі қабырғасы тұрақты температурада қызады және салыстырмалы түрде төмен температурада ламинарлы ағынның аралас конвекциясы арқылы салқындатылады. Бұл ғылыми зерттеу жұмысы электрондық құрылғылардың жылу құрылымын жетілдіре алатын сапалы ұсыныстарды зерттеу мақсатында Рейнольдс санының, каналдың көлбеу бұрышы, жылу көздерінің мөлшері, олардың арасындағы қашықтық әсерін зерттеуге бағытталған. Барлық математикалық және физикалық болжамдар ANSYS FLUENT көмегімен сандық модельдеу арқылы тексерілді. Математикалық модель мен сандық әдісті тексеру үшін тесттік есептер сандық түрде шешілді. Бұл есептің сандық шешімі үшін SIMPLE алгоритмі қолданылады. Сандық модельдеу нәтижелері жылу алмасудың Pr = 0.71 кезінде де, 5≤Re≤200 кезінде де жоғарылайтындығын көрсетеді. Алынған нәтижелер жылу көздерінің өлшемдері, Рейнольдс саны, олардың арақашықтығы, каналдың көлбеу бұрышы канал ішіндегі жылу алмасуды жақсартуға айтарлықтай әсер ететіндігін көрсетті. Электронды компоненттің биіктігі мен ені ұлғайған сайын жалпы жылу берудің жоғарылайтынын анықтадық.
Кілт cөздеp: Аралас конвекция, канал, салқындату, электронды компоненттер, сандық модельдеу.
ANNOTATION
In this paper, we present laminar mixed convective air cooling of 2 identical heat sources depicting electronic components that are installed in an inclined channel. The lower wall of the channel is heated at a stable temperature and cooled by the mixed convection of the laminar flow at a relatively low temperature. In order to evaluate the qualitative proposals for improving the thermal design of electronic devices, this study is aimed at studying the influence of the Reynolds number, the angle of inclination, the values of heat sources, and the distance between them. All mathematical and physical assumptions were verified by numerical simulations using ANSYS FLUENT. To test the mathematical model and the numerical method, the test problems were solved numerically. For the numerical solution of this problem, the numerical algorithm SIMPLE is used. The results of numerical simulations demonstrate that the heat transfer increases significantly at Pr=0.71 and also at 5≤Re≤200. The results obtained show that the dimensions of the heat sources, the Reynolds number, the distances between them, and the angle of inclination of the channel have a significant effect on improving the heat exchange inside the channel. We found that the overall heat transfer increases with increasing height and width of the electronic component.
Keywords: Mixed convection, channel, cooling, electronic components, numerical simulation.
Введение
С появлением высокоскоростных компьютеров рассеивание тепла на микрочипе стало источником беспокойства. Высокие температуры чипа влияют на надежность и производительность системы. Поэтому эффективный отвод тепла необходим для обеспечения лучшего срока службы системы. Многие исследователи изучали теплообмен в каналах с различными граничными условиями. Симметричный или асимметричный нагрев постоянной температурой или равномерным тепловым потоком был исследован аналитически [1-3], численно [4-6] и экспериментально [7-9]. В работе [10] численно проанализирована смешанная конвекция в вертикальном канале с дискретными выступающими источниками тепла, установленными на поверхности. Рассмотрены входные и выходные длины канала и положения источников тепла, установлено, что увеличение числа Рейнольдса и уменьшение числа Рэлея увеличивают конвективный теплообмен к неотапливаемой стенке. Хамуш и Бессай [11] численно исследовали двумерный ламинарный смешанный конвективный теплообмен с воздухом от нескольких одинаковых выступающих источников тепла в канале, открытом с обеих сторон. Было показано, что установка прямоугольной пластины над источниками тепла для модификации внутреннего потока приводит к значительному увеличению скорости отвода тепла от электронных компонентов. В другой работе Хамуш и Бессай [12] исследовали ламинарный смешанный конвективный перенос тепла в воздухе от двух одинаковых выступающих источников тепла, установленных в горизонтальном канале. Установлено, что увеличение расстояния разделения, высоты и ширины источников тепла оказывает существенное влияние на повышение скорости отвода тепла от компонентов, а следовательно, и на улучшение теплообмена внутри канала. С целью определения качественных предложений, которые могут улучшить тепловую конструкцию электронных устройств, настоящее исследование направлено на изучение влияния числа Рейнольдса Re, угла наклона q, размеров источников тепла S, расстояния между ними d на поток и тепловые поля.
Математическая модель
Для несжимаемой жидкости с постоянными теплофизическими свойствами, за исключением изменения плотности с температурой в силе плавучести уравнения импульса в направлении Y (т. е. справедливо приближение Буссинеска [13], безразмерные управляющие уравнения для нестационарной двумерной смешанной конвекцией являются:
Приведенные выше уравнения (1)-(4) безразмерны следующим образом: 
..................................................................................................................................................................