Numerical analyses of different mixing enhancement techniques in micro-devices

Abstract

In this work, 3D numerical analyses are carried out to study different heat transfer and mixing enhancement techniques in confined flows inside micro-devices, where the flow commonly moves at low/moderate Reynolds numbers. The objective is to understand, from basic principles and for very simple geometrical configurations, the different flow topology and mechanisms that are generated, and find possible paths of optimization and applications in the industry. Given the laminar nature of the flow generated in this type of devices, they usually are poorly efficient in terms of transferring heat between the fluid and the walls of the devices. However, certain fluid structures, such as Kármán vortex streets, or loops inside the flow, can be created, enhancing the mixing and increasing its heat exchanging capability and, therefore, rising their efficiency to dissipate heat from other surfaces. First, a passive enhancement method is studied. The method consisted in varying the geometry of a square channel-based heat sink device, adding some tip clearance at the top part of the device, to create an additional connection between two stagnation chambers. This tip clearance generates a balance between heat transfer and pressure drop in the device, while generating some new flow topologies that do not appear in a simple finned heat sink. The results obtained are compared and validated through experimental values. Second, flow pulsation is evaluated as an active heat transfer enhancement method. Prescribed sinusoidal flow velocity pulsations at different frequencies are forced at the inlet of a flow passing through a square section channel. Two geometry configurations are studied: a clean channel and a channel with a (high blockage) square vortex promoter inside. Channel walls are used as heat source and both heat transfer and pressure drop are analyzed. The natural shedding frequency of the Kármán vortex street that appears past the vortex promoter is used as base frequency for the pulsation studies. Multiples of this frequency are analyzed to observe if the heat exchange between fluid and channel walls can be favored. Last, another active mixing enhancement method, the mechanical stirring of a vortex promoter, is analyzed. In this case, a prescribed sinusoidal movement is applied to a square vortex promoter (prism) inside a square section channel. Three different frequencies for the prism motion are tested, using again, as base frequency, the dominant frequency of the Kármán vortex street generated past the non-moving prism. Virtual particles were seeded and the standard deviation of their distribution past the prism were computed to quantify the mixing. As in the previous cases, pressure drop was also computed in order to look for an optimal configuration in terms of mixing/power draw. Experimental results (obtained with Particle Image Velocimetry techniques) where used to validate the numerical results. All the numerical studies have been carried out using OpenFOAM, a free open source CFD software (developed by OpenCFD Ltd and ESI Group and programmed on C++) which solves the problem using Finite Volume Methods for the integral flow conservation equations. All solvers and utilities can be edited, modified and compiled by the user. The CFD analyses contained in this work have been validated with experimental results thanks to the collaboration with the School of Aeronautical and Space Engineering, of the Technical University of Madrid (UPM).

En este trabajo se llevan a cabo análisis numéricos 3D para estudiar diferentes técnicas de mezclado y transferencia de calor en flujos confinados de micro-dispositivos, donde el flujo se mueve habitualmente en bajos/moderados números de Reynolds. El objetivo es entender los principios básicos y para configuraciones geométricas simples, las diferentes topologías de flujo y los mecanismos que se generan para encontrar posibles vías de optimización y aplicaciones para la industria. Dada la naturaleza laminar del flujo generado en este tipo de dispositivos, estos suelen ser poco eficientes en términos de transferencia de calor entre el fluido y las paredes de los mismos. Sin embargo, ciertas estructuras fluidas, tales como las calles de Kármán o vórtices en del flujo, pueden ser generadas, promoviendo y favoreciendo el mezclado e incrementando la capacidad de transferencia de calor, aumentando de esta forma su eficiencia para disipar calor de otras superficies. Primero se estudia un método de mejora pasivo. Este método consiste en la variación de la geometría de un dispositivo disipador de calor basado en canales cuadrados, añadiendo un espacio adicional en la parte superior del dispositivo, creando una conexión adicional entre las dos cámaras de remanso del mismo. Este espacio genera un balance entre transferencia de calor y pérdida de carga en el sistema, mientras genera nuevas topologías de flujo que no aparecen en un disipador de calor de aletas simple. Los resultados obtenidos en este estudio son comparados y validados con valores experimentales. A continuación, se estudia la pulsación de flujo como un método activo de mejora en la transferencia de calor. Se fuerzan pulsaciones sinusoidales prescritas a diferentes frecuencias como flujo de entrada en un canal de sección cuadrada. Se estudian dos configuraciones geométricas diferentes: un canal limpio y un canal con un promotor de vórtices cuadrado con una alta relación de bloqueo en su interior. Las paredes del canal son utilizadas como fuente de calor, y se analizan tanto la transferencia de calor como la pérdida de carga en el sistema. La frecuencia de desprendimiento natural de la calle de Kármán que aparece aguas abajo del promotor de vórtices se ha usado como base para elegir las diferentes frecuencias de pulsación utilizadas, usando múltiplos de esta para analizar cuáles de estas favorecen el intercambio de calor entre paredes y fluido. Por último, se analiza otro método activo de mejora de mezcla: el mezclado mecánico con un promotor de vórtices. En este caso, se prescribe un movimiento sinusoidal sobre un promotor de vórtices (prisma) cuadrado situado dentro de un canal de sección cuadrada. Se estudian tres frecuencias diferentes para el movimiento del prisma, usando como base, de nuevo, la frecuencia dominante de la calle de Kármán producida aguas abajo del prisma cuando este se encuentra quieto. Para analizar el mezclado, se siembran partículas virtuales en la entrada del flujo y se calcula la desviación estándar de la distribución aguas abajo del prisma. Al igual que en los estudios previos, se calcula la pérdida de carga, con el fin de buscar una configuración óptima en términos de mezclado/potencia. Se han utilizado resultados experimentales (obtenidos mediante técnicas de Velocimetría de Imágenes de Partículas) para validar los resultados numéricos. Todos los estudios numéricos se han llevado a cabo utilizando OpenFOAM, un software CFD de código abierto programado en C++ que resuelve el problema utilizando el Método de Volúmenes Finitos para las ecuaciones de conservación de flujo en su forma integral. Todos los solucionadores y utilidades pueden ser editados, modificados y compilados por el usuario. Los análisis CFD contenidos en este trabajo han sido validados con resultados experimentales gracias a la colaboración con la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Aeronáutica y del Espacio de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM).

Neste traballo lévanse a cabo análises numéricas 3D para estudar diferentes técnicas de mestura e transferencia de calor en fluxos confinados de micro-dispositivos, onde o fluxo móvese habitualmente en baixos/moderados números de Reynolds. O obxectivo é entender os principios básicos e para configuracións xeométricas simples, as diferentes topoloxías de fluxo e os mecanismos que se xeran para atopar posibles vías de optimización e aplicacións para a industria. Dada a natureza laminar do fluxo xerado nese tipo de dispositivos, estes adoitan ser pouco eficientes en termos de transferencia de calor entre o fluído e as paredes dos mesos. Sen embargo, certas estruturas fluídas, tales como as rúas de Kármán ou vórtices no fluxo, poden ser creadas, promovendo e favorecendo a mestura e incrementando a capacidade de transferencia de calor, aumentando desta forma a súa eficiencia para disipar calor de outras superficies. Primeiro estúdase un método de mellora pasivo. Este método consiste na variación da xeometría dun dispositivo disipador de calor baseado en canles cadradas, engadindo un espazo adicional na parte superior do dispositivo, creando unha conexión adicional entre as dúas cámaras de remanso do mesmo. Este espazo xera un balance entre transferencia de calor e perda de carga no sistema, mentres xera novas topoloxías de fluxo que non aparecen nun disipador de aletas simple. Os resultados obtidos neste estudio son comparados e validados con valores experimentais. A continuación, se estudia la pulsación de fluxo como un método activo de mellora na transferencia de calor. Fórzanse pulsacións sinusoidais prescritas a diferentes frecuencias como fluxo de entrada nunha canle de sección cadrada. Estúdanse dúas configuracións xeométricas diferentes: unha canle limpa e unha canle cun promotor de vórtices cadrado cunha alta relación de bloqueo no seu interior. As paredes da canle son utilizadas coma fonte de calor, e analízanse tanto a transferencia de calor como a perda de carga no sistema. A frecuencia de desprendemento natural da rúa de Kármán que aparece augas abaixo do promotor de vórtices usouse como base para elixir as diferentes frecuencias de pulsación utilizadas, collendo múltiplos de esta para analizar cales destas favorecen o intercambio de calor entre paredes y fluído. Por último, analízase outro método activo de mellora de mestura: o mesturado mecánico cun promotor de vórtices. Neste caso, prescríbese un movemento sinusoidal sobre un promotor de vórtices (prisma) cadrado situado no interior dunha canle de sección cadrada. Estúdanse tres frecuencias diferentes para o movemento do prisma, usando como base, de novo, a frecuencia dominante da rúa de Kármán producida augas abaixo do prisma cando este se atopa quieto. Para analizar a mestura, seméntanse partículas virtuais na entrada do fluxo e calcúlase a desviación estándar da distribución augas abaixo do prisma. Ó igual que nos estudios previos, calcúlase a perda de carga, co fin de buscar unha configuración óptima en termos de mestura/potencia. Utilizáronse resultados experimentais (obtidos mediante técnicas de Velocimetría de Imaxes de Partículas) para validar os resultados numéricos. Todos os estudios numéricos leváronse a cabo utilizando OpenFOAM, un software CFD de código aberto programado en C++ que resolve o problema utilizando o Método de Volumes Finitos para las ecuacións de conservación de fluxo na súa forma integral. Todos os solucionadores e utilidades poden ser editados, modificados e compilados polo usuario. As análises CFD contidas neste traballo foron validadas con resultados experimentais grazas aá colaboración coa Escola Técnica Superior de Enxeñaría Aeronáutica e do Espazo da Universidade Politécnica de Madrid (UPM).