Разработка прототипов электрогидродинамических теплообменников и электрогидродинамического насоса

Цель: компьютерное моделирование методом конечных элементов электрогидродинамического теплообменника нагревателя; разработка прототипа электрогидродинамического теплообменника нагревателя; исследование допустимой точности при сборке прототипа электрогидродинамического теплообменника нагревателя. При проектировании ячейки электрогидродинамического теплообменника численно (методом конечных элементов) решалась система уравнений, объединяющая уравнения электростатики, переноса ионов, гидродинамики и теплопереноса. Расчет электрогидродинамического теплообменника - это чрезвычайно ресурсоемкая задача, включающая в себя решение системы электрогидродинамических уравнений, дополненных уравнением теплопереноса, в 3D-постановке, так как речь идет о реалистичной системе, когда нагреватель и холодильник находятся в разных объемах замкнутого контура. Тем не менее 3D-постановка данной задачи может быть упрощена рассмотрением перемешивания только в сечении перпендикулярном направлению внешней прокачки, если предположить, что взаимосвязь двух типов потоков минимальна. Для решения задачи проектирования остальной области теплообменника рассматривалась система уравнений, состоящая из уравнений Навье - Стокса и уравнения теплопереноса. Уравнения электростатики и переноса концентрации ионов не рассчитывались. Вместо этого для описания электрогидродинамического течения задавалась постоянная плотность кулоновской силы в области под лезвием. Значение средней плотности силы было определено из ранее рассчитанных двумерных моделей. Для численного решения системы уравнений использовался метод конечных объёмов. В процессе проектирования геометрии ячейки электрогидродинамического теплообменника выявлено слабое влияние на интенсивность теплоотвода геометрических параметров, не влияющих на скорость электрогидродинамического течения (ширина и высота ячейки). Оптимизированной конфигурацией электрогидродинамического теплообменника является система электродов лезвия – плоскость со следующими геометрическими размерами (рабочее напряжение 5 кВ): высота ячейки – 7 мм, ширина ячейки – 5 мм, межэлектродный промежуток – 2 - 1,5 мм, число ячеек – 8 (соответствует полному заполнению рабочей области теплообменника шириной в 40 мм). В ходе исследования допустимой точности при сборке получена погрешность меньше 1,5% при варьировании параметров. Электрогидродинамический теплообменник может быть использован в системах жидкостного охлаждения элементов вычислительной техники высокой производительности. Благодаря отсутствию движущихся частей в теплообменнике его износ неограничен, а из-за меньшего гидравлического сопротивления, чем у аналогов, требования на насос системы охлаждения уменьшаются, что может привести к меньшему энергопотреблению и стоимости. Спроектированный оптимизированный прототип электрогидродинамического теплообменника способен отвести 150 Вт мощности тепловыделения при перегреве в 50°С.