سمانه روحانی در گفتوگو با ایسنا، درباره پژوهش منتشر شده در زمینه خنککاری تجهیزات الکترونیکی پرتوان، اظهار کرد: این پژوهش با عنوان «تحلیل دینامیک سیالات محاسباتیِ خنککاری هیبریدی با تنظیم مکانی محیط متخلخل و ماده تغییر فاز برای تجهیزات الکترونیکی با شار حرارتی بالا» حاصل پروژه کارشناسی ارشد در دانشگاه زنجان است که نتایج آن در سال ۲۰۲۵ در مجله Internatioal Communications in Heat and Mass Transfer (جلد ۱۶۹، مقاله ۱۰۹۷۱۸) منتشر شده است.
وی با بیان اینکه مدیریت حرارتی یکی از چالشهای اصلی دنیای الکترونیک است، افزود: تجهیزاتی مانند سرورها، سامانههای صنعتی و قطعات الکترونیکی پرتوان هنگام کار گرمای زیادی تولید میکنند و اگر این گرما بهدرستی دفع نشود، افزایش دما میتواند موجب کاهش بازده، کوتاه شدن عمر قطعات و حتی خرابی آنها شود.
روحانی ادامه داد: در این مطالعه خنککاری صفحه پایه الکترونیکی با ترکیب جریان اجباری و ماده تغییرفازدهنده درون چاه حرارتی حاوی محیط متخلخل، بررسی شد. هدف از این پژوهش بررسی شرایط مختلف خنککاری و بررسی اثر پارامترهای مختلف همچون درصد تخلخل و قطر منافذ بر روی خنککاری بود.
وی درباره روش انجام این پژوهش، گفت: مدل عددی با استفاده از نرمافزار ANSYS Fluent توسعه داده شد و با بهکارگیری از توابع تعریف شده توسط کاربر، شرایط واقعی شامل سرعت ورودی سیال و شار حرارتی متغیر با زمان در مدل اعمال شد.
این پژوهشگر افزود: برای حل معادله انرژی و اعمال جمله چشمه ناشی از تغییر فاز از روش «آنتالپی ـ تخلخل» و برای در نظر گرفتن اختلاف دمای میان فاز سیال و فاز جامد درون محیط متخلخل، از فرض عدم تعادل دمای محلی، استفاده کردیم.
به گفته وی، در ارزیابی پیکربندیهای مختلف تنها دمای بیشینه و افت فشار بررسی نشد، بلکه بیشینه اختلاف دما، وزن سیستم و ضریب کارایی نیز بهعنوان معیارهای ارزیابی در نظر گرفته شدند.
روحانی توضیح داد: ضریب کارایی نشان میدهد یک سامانه تا چه اندازه میتواند میان انتقال حرارت و هزینه هیدرولیکی تعادل برقرار کند؛ به عبارت دیگر، سامانهای مطلوبتر است که با افت فشار و توان پمپاژ کمتر، عملکرد حرارتی مناسبی ارائه دهد.
وی با اشاره به اعتبارسنجی مدل، گفت: نتایج شبیهسازی با مطالعات پیشین مقایسه شد و پس از بررسی استقلال شبکه و گام زمانی، شبکهای با اندازه سلول ۰.۱۲۵ میلیمتر و گام زمانی یک ثانیه برای ادامه تحلیلها انتخاب شد.
روحانی با بیان اینکه در مرحله نخست عملکرد سامانه پایه بررسی شد، اظهار کرد: در حالت مبنا که تنها آب در کانال جریان داشت، بیشینه دما ۳۲۷.۴ کلوین و افت فشار ۲۹.۰۴ پاسکال ثبت شد و این حالت بهعنوان مبنای مقایسه سایر طراحیها در نظر گرفته شد.
وی افزود: سپس اثر محیط متخلخل با تغییر درصد تخلخل از ۴۵ تا ۹۵ درصد و قطر منافذ از ۰.۱ تا ۲ میلیمتر بررسی شد. محیط متخلخل با افزایش سطح تماس آب و ماتریس مسی، انتقال حرارت را تقویت میکند، اما کاهش بیش از حد تخلخل مقاومت جریان را بهشدت افزایش میدهد.
این پژوهشگر ادامه داد: نتایج نشان داد تخلخل ۹۰ درصد بهترین تعادل میان عملکرد حرارتی و هزینه هیدرولیکی را ایجاد میکند. در این حالت، بیشینه دما به ۳۰۲.۸۵ کلوین کاهش یافت، افت فشار ۱۲۵.۷۴ پاسکال و ضریب کارایی ۶ محاسبه شد.
وی تصریح کرد: هرچند تخلخلهای پایینتر کاهش دمای بیشتری ایجاد کردند، اما افت فشار بسیار زیادی داشتند؛ بهعنوان نمونه، در تخلخل ۴۵ درصد افت فشار به حدود ۷۵۸۱ پاسکال رسید که آن را برای کاربرد عملی نامناسب میکند.
روحانی درباره بررسی ماده تغییر فاز دهنده (PCM)، گفت: این ماده هنگام ذوب، گرما را به صورت گرمای نهان جذب میکند و از افزایش سریع دما جلوگیری میکند، اما رسانندگی حرارتی پایین آن باعث میشود انتقال گرما در داخل ماده به کندی انجام شود.
وی افزود: نحوه قرارگیری PCM روی صفحه پایه، استفاده از هندسه سهبعدی را لازم نمود. نتایج نشان داد استفاده از PCM خالص، بدون تقویت حرارتی، نهتنها عملکرد مطلوبی ندارد بلکه میتواند به دلیل مقاومت حرارتی بالا، دمای سامانه را افزایش دهد.
این پژوهشگر ادامه داد: برای رفع این محدودیت، ماده تغییر فاز دهنده با یک ماتریس متخلخل مسی ترکیب شد و ساختار EPCM شکل گرفت. در این ساختار، ماتریس مسی مسیرهای رسانای حرارتی ایجاد میکند و انتقال گرما را در داخل ماده تغییر فاز بهبودمیبخشد. پس از بررسی حالتهای مختلف، تخلخل ۶۰ درصد برای بخش EPCM انتخاب شد. در این پیکربندی، بیشینه دما به ۳۱۲.۴۸ کلوین و ضریب کارایی به ۳.۹۷ رسید که نشاندهنده بهبود عملکرد حرارتی نسبت به PCM خالص است.
روحانی با اشاره به مرحله نهایی پژوهش اظهار کرد: در طراحی هیبریدی، محیط متخلخل با تخلخل ۹۰ درصد در مسیر جریان آب و EPCM با تخلخل ۶۰ درصد بهصورت همزمان استفاده شدند تا دو سازوکار انتقال حرارت جابهجایی و ذخیرهسازی گرمای نهان بهطور مکمل عمل کنند.
وی افزود: این پیکربندی که با عنوان EPCM60- Porous90 معرفی شده، کمترین دمای بیشینه را در میان آرایشهای اصلی مطالعه ثبت کرد. در این حالت، بیشینه دما به ۳۰۴.۷۸ کلوین رسید، افت فشار ۱۹۲.۸۷ پاسکال بود و ضریب کارایی ۲.۹۲ به دست آمد.
این پژوهشگر ادامه داد: مقایسه این نتایج با حالت مبنا نشان میدهد ترکیب محیط متخلخل و EPCM توانسته دمای بیشینه سامانه را از ۳۲۷.۴ به ۳۰۴.۷۸ کلوین کاهش دهد، هرچند این بهبود با افزایش افت فشار همراه بوده است.
روحانی عنوان کرد: اگر هدف اصلی دستیابی به کمترین دمای ممکن باشد، پیکربندی EPCM60- Porous90 بهترین عملکرد حرارتی را ارائه میدهد، اما اگر کاهش توان پمپاژ، افت فشار کمتر و کارایی کلی سامانه اهمیت بیشتری داشته باشد، پیکربندی 90Porous گزینه متعادلتری است.
وی افزود: در پیکربندی 90Porous بیشینه دما ۳۰۷.۲۹ کلوین، افت فشار ۳۸.۳۲ پاسکال و ضریب کارایی ۱۰.۰۱ به دست آمده است. نتایج این پژوهش نشان میدهد طراحی سامانههای خنککاری پیشرفته نباید تنها بر اساس پایینترین دما انجام شود، بلکه لازم است کاهش دما، افت فشار، یکنواختی توزیع دما، ضریب کارایی و ویژگیهای هندسی و جرمی سامانه بهصورت همزمان ارزیابی شوند.
به گفته روحانی، استفاده همزمان از محیط متخلخل در مسیر جریان آب و ماده تغییر فازِ تقویت شده با تخلخل، دو سازوکار مکملِ انتقال حرارت جابهجایی و ذخیرهسازی گرمای نهان را با هم ترکیب میکند. این آرایش در شرایط شبیهسازی شده، دمای بیشینه را کاهش داد، هرچند با افزایش افت فشار همراه بود.
انتهای پیام
