Numerical Investigation of Flow Boiling in Divergent Shaped Microchannels
Authors
Kæhler, Lars ; Lynggaard, Tobias
Term
4. term
Education
Publication year
2021
Submitted on
2021-05-28
Pages
105
Abstract
Flow boiling in microchannels is a promising approach for cooling compact electronics, yet it is prone to instabilities that may be mitigated by divergent channel designs. This study numerically examines how wall slope (channel divergence) and the Boiling number influence heat transfer and bubble dynamics in a two-dimensional ethanol flow. A VOF-based CFD solver in OpenFOAM with dynamic mesh refinement is employed; its accuracy is assessed against a 1D Stefan problem (errors of 2.4% with Lee and 0.25% with Tanasawa), after which the Tanasawa phase-change model is adopted. The solver is further validated by comparing a 2D film boiling case to the Nusselt number correlations of Berenson and Klimenko (deviations of 14% and 31%), and a grid-independence study shows dynamic meshing can be used without compromising accuracy. The microchannel simulations use a subcooled laminar inlet, constant wall heat flux, and a cavity as a nucleation site; the Boiling number (1.25·10−4 and 1.75·10−4) and wall slope are varied. Results show that increasing the Boiling number raises bubble growth rate and diameter (a 40% increase in Bo yields a 43.2% larger diameter) and affects detachment time, while a larger wall slope reduces bubble velocity and alters size; increasing both slope and Bo together can nearly double bubble diameter. The highest Nusselt number, and thus heat transfer, occurs when a thin liquid film passes the measurement point; the presence of this film depends on both wall slope and Boiling number. Overall, the findings indicate that channel geometry and operating conditions can be tuned to promote thin-film conditions and enhanced heat transfer in divergent microchannels.
Mikrokanal-boblekogning er lovende til køling af kompakte elektroniske komponenter, men præges af ustabiliteter, som kan afbødes med divergente kanaler. Dette arbejde undersøger numerisk, hvordan væghældning (kanalens divergens) og Boiling number påvirker varmeoverførsel og bobledynamik i en to-dimensionel ethanolstrøm. En VOF-baseret CFD-løser i OpenFOAM med dynamisk maskeopdeling anvendes; nøjagtigheden testes på et 1D Stefan-problem (fejl 2,4 % med Lee og 0,25 % med Tanasawa), hvorefter Tanasawa-modellen vælges. Løseren valideres desuden mod Nusselt-korrelationerne fra Berenson og Klimenko for filmkogning (afvigelser på hhv. 14 % og 31 %), og et gitteruafhængighedsstudie viser, at dynamisk mesh kan bruges uden at forringe nøjagtigheden. Selve kanalstudiet omfatter 2D-simuleringer med subkølet laminart indløb, konstant varmestrøm ved vægge og en kavitet som nukleationssted; Boiling number varieres (1,25·10−4 og 1,75·10−4) sammen med væghældningen. Resultaterne viser, at stigende Boiling number øger boblers væksthastighed og diameter (en 40 % stigning i Bo giver 43,2 % større diameter) og påvirker afgangstiden, mens større væghældning sænker boblehastigheden og ændrer størrelsen; en samtidig stigning i hældning og Bo kan næsten fordoble diameteren. Den højeste Nusselt-værdi og dermed varmeoverførsel opnås, når en tynd væskefilm passerer målepunktet; filmens tilstedeværelse afhænger af både væghældning og Boiling number. Samlet peger studiet på, at kanalgeometri og driftsforhold kan finjusteres for at fremme tyndfilmstilstande og forbedret varmeoverførsel i divergente mikrokanaler.
[This apstract has been generated with the help of AI directly from the project full text]