Three-dimensional modeling of heat transfer and fluid flow in a flat-grooved heat pipe

Düz oluklu ısı boruları (DOIB), dayanıklı oluşlarından ve ısı taşıma konusunda yüksek etkinliğe ve güvenirliğe sahip olmalarından dolayı elektronik komponentlerin soğutulmasından uzay endüstrisine kadar geniş bir uygulama alanına sahiptirler. DOIB en basit tanımıyla, iç yüzeylerinde mikro olukları olan bir kutu, ve bir ısı kaynağıyla gideri arasında, içindeki çalışan sıvının faz değişimi sayesinde düşük sıcaklık farklarında yüksek ısı iletimi yapabilen bir köprüdür. Isı kaynağının oluğun bir ucundaki çalışan sıvıyı buharlaştırması, oluşan buharın kendi oluşturduğu basınç sayesinde ilerleyerek diğer uçta tekrar yoğuşarak oluğun içine geri akması ve oluğun içinde, kılcal etki sayesinde başladığı yere tekrar akarak bu döngüyü devam ettirmesi ile çalışırlar. DOIB'larındaki ısı transferini ve akışı modellemek boyut, oluk şekli, çalışan sıvının doldurulma oranı ve materyal çeşitleri gibi birçok parametrenin operasyonel limitler üzerine olan etkisini anlamak, kullanım şartlarına özgü tasarımlar yapabilmek açısından kritiktir. Literatürde birtakım basitleştirmelere ve varsayımlara dayanan birçok model bulunmaktadır. Bu tezde ise, akışı ve ısı transferini ilk defa üç boyutta olarak modelleyen ve COMSOL Multiphysics via LiveLink for MATLAB arayüzünü kullanmaya dayanan bir metot sunulmuştur. Bir programlama dilini kullanmanın yarattığı esnekliğin, bir ticari yazılımın enerji ve momentum çözücülerini kullanmanın getirdiği rahatlıkla birleşmesi ile, bu problemin tek başına bir HAD yazılımıyla veya bir programlama diliyle çözülmeye çalışılması durumunda ortaya çıkacak büyük engelleri aşabilecek kuvvetli ve kullanışlı bir araç ortaya çıkmıştır. Bu modelde eksenel yönde, oluk içindeki çalışan sıvının eğrilik yarı çapının (R) değişimi, oluk duvarının sıcaklık gradyenti (Tw) ve buhar sıcaklığı (Tv) ısı borularının esas çalışma parametreleri olmakla birlikte ısı borularının etkinliğini de gösterirler. Sunulan metot dahilinde, bu değişkenler için önce birer değer tahmin edilir ve daha sonra da iç içe ve sıralı bir iterasyon seti ile hesaplanırlar. R iterasyonu için momentum denklemleri, Tw iterasyonu için enerji denklemleri çözülürken, Tv için objektif fonksiyonu kütlenin korunumuna dayanan bir sekant metodu kullanılır. İterasyonlar sırasında, değişkenler için hesaplanan her bir değere karşılık olarak da sürekli olarak çözüm bölgesi baştan oluşturulur ve sınır koşulları tekrar hesaplanır. Sunulan model, doğrulama amacıyla literatürle kıyaslanmıştır. Daha sonra, düz olukların derinliğinin ısı borusunun performansına olan etkisini gözlemleme amacıyla parametrik bir çalışma yürütülmüştür. Son olarak farklı ısı girdileri, verilen bir ısı borusundaki "dry-out"un saptanması amacıyla denenmiştir.