توصیف وضعیت

توصیف وضعیت

نیاز به گذر گاه باریک
1-1 نیازمندی به گذرگاه های باریکتر برای عبور جریان
جریان سیال داخل کانال ها در بسیاری از سیستم های طبیعی و سیستم های ساخته شده توسط بشر دیده می شود. انتقال جرم و حرارت توسط دیواره کانال در سیستم های بیولوژیکی مانند مغز، ریه، کلیه، روده و غیره همچون بسیاری از سیستم های ساخته شده توسط بشر مانند مبدل های حرارتی، راکتورهای هسته ای، واحدهای تقطیر، واحدهای جداسازی هوا و نظیر آنها انجام می شود. به طور کلی فرایندهای انتقال توسط دیواره کانال ها انجام می شود، مادامی که که جریان در درون کانال در حال عبور است.
کانال دو وظیفه اساسی دارد که باید در طول عملکرد خود به انجام برساند:
1. سیال را به برخورد موثر با دیواره های کانال وادار نماید.
2. به منظور اینکه فرایند انتقال به خوبی انجام پذیرد کانال باید همواره سیال جدید را به سمت دیواره فرستاده و سیالی را که در نزدیک دیواره است و وظیفه فرایند انتقال خود را انجام داده از دیدار دور نماید تا سیال جدید در مجاورت دیواره جایگزین آن شود.
نرخ فرآیند انتقال به مساحت سطح تماس با سیال بستگی دارد که این خود برای کانال با سطح مقطع دایره ای به قطر کانال، بستگی داشته همچنان که نرخ جریان به مساحت سطح مقطع کانال بستگی دارد، که سطح مقطع نیز به طور خطی با متناسب است. بنابراین نسبت مساحت سطح داخلی کانال به حجم با قطر کانال نسبت عکس خواهد داشت، پر واضح است که با کاهش قطر نسبت مساحت سطح داخلی کانال به حجم افزایش خواهد داشت.
در بدن انسان دو فرایند بسیار موثر انتقال حرارت و جرم در ریه و کلیه اتفاق می افتد، جایی که قطر کانال ها یا به عبارتی دیگر مجراهای باریک چیزی در حدود چهار میکرومتر می باشد.
گستره ای از میکرو کانال ها با ابعاد مختلف با ذکر نوع سیستمی که میکرو کانال در آنها به کار رفته است، در شکل (1-1) آورده شده است[1].
شکل 1- 1 گستره ای از قطر میکرو کانال هایی که دارای کاربردهای مختلف می باشند
هرچه ابعاد کانال کوچکتر می شود بعضی از تئوری هایی که برای توصیف وضعیت سیال، انرژی و انتقال جرم استفاده می شد نیازمند بررسی بیشتر جهت حصول اطمینان از اعتبار آن ها می باشد. دو عامل اساسی جهت دور شدن از تئوری های معمولی جهت توصیف مقیاس میکرو وجود دارد، به عنوان مثال تفاوت ها در مدل کردن جریان سیال داخل کانال های با قطر کوچک می تواند به دلایل زیر بوجود آید:
1. تغییر در فرایندهای اساسی مانند انحراف از فرضیه محیط پیوسته برای جریان گاز، یا اثر گذاری مضاعف بعضی از نیروها مانند نیروهای الکتروسینتیکی و مانند آن.
2. عدم قطعیت در کاربرد عوامل اساسی که به روش های آزمایشگاهی در مسائل با مقیاس بالاتر به دست آمده است مانند ضرایب افت، ورودی و خروجی، جریان سیال داخل لوله ها.
3- عدم قطعیت در اندازه گیری های مقیاس میکرو مانند ابعاد هندسی و پارامترهای مسئله.
1-2 دسته بندی کانال ها
دسته بندی کانال ها براساس قطر هیدرولیکی آنها به عنوان یک راه حل ساده و در عین حال کارا جهت بررسی رنج های مختلف مورد نظر می باشد. کاهش ابعاد کانال در فرایندهای مختلف، اثرات مختلفی داشته و ارائه یک شرط خاص منطبق بر متغیرهای فرایند ممکن است در نگاه اول گزینه ای بسیار نامناسب به نظر برسد، اما چنانچه تعداد فرایندها و متغیرهای حاکم بر انتقال از ابعاد معمولی به پدیده های مقیاس میکرو را در نظر بگیریم همان روش ساده دسته بندی کانال ها براساس ابعادشان را یک روش مناسب می بینیم که در کارهای علمی انجام شده در این زمینه نیز کاملا پذیرفته شده است. جدول (1-1) رنج های مختلف کانال را تحت جریان ها با نوع های متفاوت نشان می دهد:
جدول 1- 1 ابعاد کانال برای انواع جریان گازی در فشار اتمسفر
1-3 فرضیات اولیه در انتقال حرارت و افت فشاردر میکرو کانال ها
اثر قطر هیدرولیکی بر انتقال حرارت در شکل (1-2) و اثر آن بر افت فشار نیز در شکل (1-3) برای جریان آب و هوا در یک کانال با سطح مقطع مربع شکل و تحت اثر یک شار حرارتی یکنواخت و شرایط جریان لایه ای کاملاً توسعه یافته ارائه شده اند.
ضریب انتقال حرارت در ناحیه جریان لایه ای تماماً توسعه یافته، تحت تاثیر عدد رینولدز جریان قرار ندارد. ضریب انتقال حرارت عبارتست از:
که در آن هدایت حرارتی سیال و قطر هیدرولیکی کانال می باشد. عدد نوسلت برای جریان لایه ای تماماً توسعه یافته داخل کانال با سطح مقطع مربع شکل و با شرایط اعمال شار حرارتی ثابت برابر با 61/3 می باشد. شکل (1-2) نمایانگر تغییرات ضریب انتقال حرارت برای جریان آب و هوا برحسب قطر هیدرولیکی کانالی با شرایط یاد شده بالا می باشد. شکل (1-2) نمایشگر بسیار خوبی از افزایش شدید ضریب انتقال حرارت بر اثر کاهش ابعاد کانال می باشد.
شکل 1- 2 اثر قطر هیدرولیکی بر انتقال حرارت در میکرو کانال ها [3]
وجود تعادل مابین نرخ انتقال حرارت و افت فشار موضوع مهمی در طراحی گذرگاه های جریان های خنک کننده برای دفع شارهای حرارتی بسیار بالایی است که در خنک کاری چیپ های ریز پردازنده ها با آن روبرو می شویم.
توسعه سیستم های میکر الکترو مکانیکی به طور عمومی نیارمند توسعه سیستم های دفع حرارتی است که متناسب با آن سیستم ها کوچک باشند. خنک کاری آینه هایی که در سیستم های لیزر به کار می روند شامل سیستم های خنک کننده ای است که باید حرارت بسیار زیادی را از سطح مقطعی بسیار کوچک دفع نمایند.

Share