Numerical investigation of the wavy channel geometry and its effect on heat transfer performance in natural convection flow
Authors
Dueholm, Bjørn Christian ; Thorstensen, Andreas Stengaard
Term
4. term
Education
Publication year
2020
Submitted on
2020-06-29
Pages
82
Abstract
Denne afhandling undersøger, hvordan bølgeformede kanalgeometrier påvirker varmeoverførslen ved naturlig konvektion, med særligt sigte på køling af elektronik. Kanalerne er opbygget af sinusformede vægge, som er faseforskudt med φ = π, og karakteriseres ved det dimensionsløse amplitudeforhold h/W og bølgelængdeforhold L/W. En parametervariation med h/W = 0,02–0,08 og L/W = 5/3–5/7 gennemføres ved hjælp af direkte numeriske simulationer (DNS) af en enkelt kanal ved et kanal-Rayleigh-tal Ra′W = 2·10^4 og aspektforhold a = 5. Modellen valideres mod litteraturdata for en lodret (ret) kanal baseret på det lokale Nusselt-tal og viser god overensstemmelse. Resultaterne viser, at det lokale Nusselt-tal følger geometrien og øges i konvergerende sektioner. Det overflade-midlede Nusselt-tal falder generelt, når amplituden øges og bølgelængden reduceres, mens alle kanaler med h/W = 0,02 udviser en lille stigning (op til ca. 0,35 %). For at vurdere den samlede varmeafgivelse indføres en præstationsparameter, Qratio, der kombinerer ændringer i varmeoverførselskoefficient og overfladeareal. Heraf fremgår, at geometrier med høj amplitude og kort bølgelængde kan give en markant stigning i samlet varmeoverførsel sammenlignet med en lodret kanal, primært på grund af den større overflade. Arbejdet peger dermed på en afvejning mellem lokal varmeoverførselskoefficient og arealforøgelse, og identificerer geometriområder hvor bølgekanaler kan overgå konventionelle lodrette kanaler.
This thesis examines how wavy channel geometries influence heat transfer under natural convection, with relevance to electronics cooling. The channels are formed by sinusoidal walls phase shifted by φ = π and parameterized by the dimensionless amplitude h/W and wavelength L/W. A parametric study with h/W = 0.02–0.08 and L/W = 5/3–5/7 is conducted using Direct Numerical Simulations (DNS) of a single channel at a channel Rayleigh number Ra′W = 2·10^4 and aspect ratio a = 5. The numerical setup is validated against literature data for a vertical (straight) channel using the local Nusselt number and shows good agreement. Results indicate that the local Nusselt number follows the geometry, increasing in converging sections. The surface-averaged Nusselt number generally decreases as amplitude increases and wavelength decreases, while all channels with h/W = 0.02 show a slight increase (up to about 0.35%). To assess overall heat removal, a performance parameter, Qratio, is introduced that combines changes in heat transfer coefficient and surface area. This analysis shows that high-amplitude, short-wavelength geometries can deliver a significant increase in total heat transfer compared with a vertical channel, primarily due to the added area. The study thus highlights a trade-off between the heat transfer coefficient and surface area and identifies geometry ranges where wavy channels can outperform conventional vertical channels.
[This summary has been generated with the help of AI directly from the project (PDF)]
Documents