Valutazione delle prestazioni termo-idrauliche di microcanali a spigoli smussati

In questo eleborato viene presentato uno studio focalizzato sull’ottimizzazione della geometria dei microcanali di un dissipatore di calore, con lo scopo di fornire una serie di relazioni operative e quindi direttamente utilizzabili per la progettazione di tali dispositivi. Alla definizione delle tradizionali funzioni obiettivo, legate ai Performance Evaluation Criteria (PEC), è stata aggiunta un’analisi dal punto di vista del secondo principio della termodinamica, per valutare l’entropia generata da un flusso fluido in un canale. Normalizzando l’entropia generata si è passati all’utilizzo di un numero di generazione entropica adimensionale e quindi più adatto alla valutazione delle prestazioni. Dopo una prima fase di analisi dal punto di vista fisico, il modello è stato applicato a casi concreti, in cui funzione obiettivo e numero di generazione entropica sono stati espressi in dipendenza dell’incognita geometrica da valutare. Inoltre, è stato approfondito anche il caso in cui non siano trascurabili gli effetti di dissipazione viscosa, che possono effettivamente incidere in modo determinante sullo scambio termico, soprattutto alle microscale.

Ottimizzazione di microcanali con condizioni al contorno diverse

Negli ultimi due decenni i microcanali hanno un'ampia gamma di applicazioni pratiche in ambiti specializzati, come le micropompe, l’ingegneria biomedica, la microfluidica, ecc. Quindi il miglioramento della capacità di scambio termico è molto significativo e, per questo motivo, è interessante studiare come influisce sullo scambio termico la variazione della geometria dei microcanali. Per descrivere le prestazioni associate ad una superficie di scambio termico ci si riferisce a dei parametri adimensionali. Ad esempio, si possono utilizzare numero di Poiseuille fRe e numero di Nusselt Nu, a cui sono associate, rispettivamente, le prestazioni in termini di attrito meccanico e di scambio termico convettivo della superficie. E si vedrà il comportamento termoidraulico al variare di parametri geometrici come il fattore di forma ed il raggio di curvatura degli spigoli della sezione attraverso simulazioni effettuate tramite FlexPDE. L’ottimizzazione delle sezioni di microcanali attraverso i Performance Evaluation Criteria (PEC) è basata su un’analisi condotta dal punto di vista della prima legge della termodinamica: l'ottimizzazione della funzione obiettivo è il suo unico scopo. Ma non ha tenuto conto dell’entropia generata nello scambiatore, che varia dopo l’ottimizzazione. Poiché l’entropia prodotta da un generico sistema termodinamico è direttamente legata alle perdite per irreversibilità nello stesso, quindi coincide l’efficienza del sistema dal punto di vista termodinamico. Per questo motivo, Bejan propone una procedura di ottimizzazione basata sulla seconda legge della termodinamica, in cui anche l’entropia è trattata come una funzione obiettivo che dovrà essere sempre minimizzata. Dopo una prima fase di analisi dal punto di vista fisico, il modello è stato applicato a casi concreti, in cui funzione obiettivo e numero di generazione entropica sono stati espressi in dipendenza dell’incognita geometrica da valutare.