Verkoeling zoeken in faseovergangen
Onderzoeker Haiyu Wang wist de mechanismen van faseovergangsstromingen beter te begrijpen als koelingsmechanisme. Hij promoveert (digitaal) op 13 mei.
De mensheid benutte het idee van faseovergang om verkoeling te vinden lang voordat we het volledig begrepen. De mens ontwikkelde de functie van zweten toen onze voorouders prooien achterna zaten op de graslanden van Afrika. Het zweet op de huid verdampt, terwijl het warmte absorbeert. Zo blijft de lichaamstemperatuur op het normale niveau. Op dezelfde manier transporteren faseovergangstechnologieën tegenwoordig warmte weg van chips in laptops en mobiele telefoons. Onderzoeker Haiyu Wang ontwikkelde een nieuw numeriek model om de mechanismen van faseovergangsstromingen beter te begrijpen en om het effect van koeling te kwantificeren. Hij promoveert (digitaal) op 13 mei.
De vraag naar steeds kleinere chips door de halfgeleiderindustrie heeft een nieuwe uitdaging opgeworpen om koeling te genereren op kleine lengteschalen. Zogenaamde 3D-chips hebben de potentie om energiezuiniger en sneller te zijn dan conventionele chips. De uitdaging is echter om de warmte zodanig uit deze 3D-chips te transporteren dat het niet te veel ruimte in de chips gebruikt en de berekening niet verstoord.
Deels onbegrepen
Faseovergangskoeling is een geschikte methode omdat het een hoog rendement heeft, maar het is nog steeds deels onbegrepen. Daarom was het doel van Wang om faseovergangsstroom op kleine lengteschalen te onderzoeken. Om dit te bereiken, moeten stromingen op de grens van de gas en vloeibare fase en de oppervlaktespanning zorgvuldig worden behandeld vóór de faseovergangsstroming zijn werk kan doen.
Wat betekent dit? Stel je voor dat je geniet van een glas van je favoriete bier. Bellen stijgen op om een dikke laag schuim te creëren. De grens die het gas en de vloeibare fasen verdeelt, wordt interface genoemd. Wang heeft een model voorgesteld en geïmplementeerd om de positie van die interface nauwkeurig te berekenen. Met dit model kunnen zowel stijgende bellen met verschillende vormen als stationaire bellen worden gesimuleerd.
Op kleine lengteschalen domineert de oppervlaktespanning in stromingen van gas-vloeibare fases. Zo houdt het kwik in een thermometer een vaste positie en is het bestand tegen kantelen wanneer deze uit het warme menselijke lichaam wordt gehaald. Dit geeft aan dat de oppervlaktespanningskracht in de thermometer sterker is dan de zwaartekracht. Daarom is de nauwkeurige opname van oppervlaktespanning belangrijk voor de nauwkeurige simulatie van faseovergangsstroom. Wang slaagde erin de oppervlaktespanning nauwkeurig te berekenen door een aangepast Continuum Surface Force model voor te stellen en de nauwkeurigheid van verschillende krommingsmethoden te evalueren.
Nauwkeurig gekwantificeerd
Eerder hebben onderzoekers al modellen voor faseovergang ontwikkeld met empirische coëfficiënten. Anders dan bijvoorbeeld de zwaartekrachtconstante in Newton's zwaartekrachtswet, zijn de empirische coëfficiënten hier alleen niet constant. Er zijn dus geen universele modellen mogelijk, iets dat door veel wetenschappers wordt gekoesterd. Daarom besteden steeds meer onderzoekers hun tijd aan het onderzoeken van modellen voor faseovergang op basis van de "energiesprongconditie". In deze modellen is geen empirische coëfficiënt nodig.
Wang heeft ook zo'n model ontwikkeld. Anders dan eerder werk, stelde hij voor om de conservatieve vorm van de energievergelijking op te lossen, zodat er energieconservatieve oplossingen worden verkregen. Simulatieresultaten komen goed overeen met analytische oplossingen voor verschillende testgevallen met variabele dichtheidsverhoudingen. Hierdoor blijkt dat het verkoelende effect nauwkeurig kan worden gekwantificeerd.
Dit onderzoek is een belangrijke stap in de richting van de nauwkeurige en veelzijdige numerieke simulatie van faseovergangsstroom op kleine lengteschaal.
Titel proefschrift: Op weg naar numerieke simulatie van faseovergangsstroom voor koeldoeleinden. Begeleiders: Hans Kuerten, TU/e; Bart van Esch, TU/e.