Heat transfer enhancement strategies in a swirl flow channel heat sink based on hydrodynamic receptivity

Abstract

El disipador de calor de canal con flujo espiral ha demostrado ser una alternativa prometedora para el manejo térmico de aplicaciones de alto flujo de calor, como electrónica y fotovoltaica concentrada. Temperaturas indeseadas son perjudiciales para el despempeño, la seguridad y la vida útil de estos dispositivos, por lo cual la investigación de tecnologías de enfriamiento de alto flujo de calor es una de las áreas de transferencia de calor con mayor actividad en la actualidad. En este trabajo se identifican estrategias eficientes para el aumento de la transferencia de calor en el disipador de calor de canal con flujo espiral estudiando la respuesta de las perturbaciones de temperatura frente a un forzamiento de momentum. Se presentan simulaciones numéricas de los campos de velocidad y temperatura estacionarios en el dispositivo para investigar el efecto de los parámetros de diseño en el desempeño termohidráulico. La rotación del fluido induce una componente de flujo cruzado, y se encuentra que esto aumenta considerablemente la transferencia de calor convectiva debido a movimiento del fluido hacia la superficie de intercambio térmico. En este estudio, se usa el marco de la teoría de estabilidad no modal para estudiar la estabilidad y receptividad del flujo estacionario en el canal de flujo espiral. Para este propósito, se formula un problema de perturbaciones lineales con un forzamiento armónico usando las aproximaciones de flujo local y paralelo. Al contrario del flujo de Poiseuille plano, se encuentra que el crecimiento transiente de las perturbaciones es pequeño, y por lo tanto, no juega un rol en el mecanismo de transición. La transición se le atribuye a la inestabilidad de flujo cruzado que ocurre por el cambio en la forma del perfil de velocidad debido a los efectos rotacionales. Se lleva a cabo un experimento de visualización de flujo y se encuentra una concordancia cualitativa entre los patrones de difusión observados y el número de Reynolds crítico predicho. La mayor amplificación en la respuesta de temperatura frente al forzamiento de momentum es presentada por vórtices y trazas longitudinales, seguidas por ondas viajeras radiales, y luego por ondas viajeras longitudinales. Se lleva a cabo un experimento para medir el desempeño del disipador de calor usando un flujo pulsante con frecuencias de forzamiento dentro del rango sugerido por el análisis de receptividad. Para obtener la misma temperatura de pared que en el caso sin pulsaciones, se observa una reducción de la potencia de bombeo de hasta un 26.6%, y usando la misma potencia de bombeo se obtiene un aumento del Nusselt de hasta un 10.3%. Este enfoque para identificar estrategias para el aumento de la transferencia de calor basado en física se puede extender a otras técnicas, por ejemplo, para seleccionar la longitud de onda en una superficie ondulada, la periodicidad de elementos de rugosidad, o la frequencia de vibraciones acústicas.