Deutsch
Francais
Nederlands
Svenska
Norsk
Dansk
Suomi
Espanol
Italiano
Portugues
Magyar
Polski
Cestina
Русский
De wiskundige beschrijving van stromingen van enkele componenten en enkelvoudige fasen berust op massabalansen en momentumbalansen van een differentieel fluidelement, wat leidt tot de Navier-Stokes-vergelijkingen voor Newtoniaanse vloeistoffen. Hierbij kunnen stroming en energietransport doorgaans worden ontkoppeld: eerst worden de snelheids- en drukvelden bepaald, en vervolgens wordt de energiebalans opgelost om temperatuurverdelingen te verkrijgen. Bij multiphase stromingen wordt dit complexer door de interacties tussen verschillende fasen, waarbij massaveranderingen, momentumoverdracht en energie-uitwisselingen door faseveranderingen aanvullende termen in de fundamentele vergelijkingen introduceren.
De massabalans, momentumbalans en energiebalans voor een fase k bevatten derhalve bron- en sinktermen die respectievelijk de faseproductiesnelheid, momentumproductie door massatoevoer van andere fasen, traagheidskrachten, viskeuze spanningen, zwaartekracht, fasemenging en warmte-uitwisseling representeren. De trekspanningstensor, die de interne spanningen in de fase representeert, omvat druk en visceuze effecten en wordt uitgedrukt via de Kronecker-delta en de snelheidsgradiënten. Verder spelen lichaamkrachten zoals zwaartekracht een rol, terwijl interactiekrachten tussen fasen de dynamica verder beïnvloeden. De energiebalans bevat onder meer de arbeid verricht door visceuze wrijving, warmteoverdracht volgens Fourier’s wet, en de energie-invoer via faseverandering, die zowel interne als kinetische energie omvat.
Deze complexiteit vereist geavanceerde numerieke technieken zoals directe numerieke simulatie (DNS), large-eddy simulatie (LES) of Reynolds-gemiddelde Navier-Stokes (RANS) modellen om de stromings- en warmteoverdrachtsprocessen te beschrijven. Cruciaal hierbij is het ontwikkelen van constitutieve modellen voor het spanningsveld, druk, warmteoverdracht en de faseveranderingsprocessen, gebaseerd op een diepgaand fysisch begrip van de mechanismen die het kookproces beheersen.
Experimenten met verdunde emulsies tonen aan dat het kookproces afhankelijk is van meerdere factoren, zoals de eigenschappen van de vloeistoffen in de emulsie, de gemiddelde druppelgrootte en de volumefractie van de emulsie. Stabiliserende additieven kunnen ook de kookdynamiek beïnvloeden, hoewel de precieze effecten hiervan nog niet volledig zijn gekarakteriseerd. Visualisatie-experimenten laten zien dat het koken van de disperse component plaatsvindt aan het verwarmde oppervlak, waarbij druppels zich accumuleren en een film vormen. Dit verklaart de gemeten trends in drukval en warmteoverdracht, en suggereert dat de interacties aan het grensvlak cruciaal zijn voor de fenomeenbeschrijving.
Naast deze mechanische beschrijvingen is het essentieel om dimensionale getallen te definiëren die het gedrag karakteriseren en correlaties voor de experimentele data mogelijk maken. De combinatie van massaflux, oppervlakte-eigenschappen, en thermische gradiënten leidt tot complexe gedragingen zoals plotselinge drukstijgingen bij specifieke wandtemperaturen, gekoppeld aan overgangsprocessen in het kookmechanisme. Het microstructuur-effect van oppervlakken (bijvoorbeeld microporeuze versus gladde oppervlakken) beïnvloedt zowel de hydrodynamica als de warmteoverdracht significant.
Het begrijpen van deze processen vereist een integrale benadering, waarbij thermodynamica, mechanica en materiaaleigenschappen samenkomen. De onzekerheden rond additieven en druppelaggregatie benadrukken het belang van aanvullende experimentele en theoretische studies. Bovendien is inzicht in schaalafhankelijkheid en het effect van micro- tot macroscopische stromingscondities noodzakelijk om betrouwbare en algemene modellen te ontwikkelen.
Verder is het van belang te beseffen dat faseovergangen in multiphase stromingen niet louter thermische fenomenen zijn, maar ook sterk gekoppeld zijn aan de hydrodynamische interacties en oppervlakte-eigenschappen. Dit impliceert dat modellering en experimenten altijd moeten streven naar een geïntegreerde aanpak die deze onderlinge verbanden kan kwantificeren en voorspellen.
Hoe kan verdampingswarmteoverdracht in microgaps worden geoptimaliseerd voor elektronische koelsystemen?
De toename van de vermogensdichtheid in moderne computerchips en vermogenselektronica heeft geleid tot een fundamentele heroverweging van koelstrategieën op microschaal. Traditionele geforceerde convectie met gas voldoet niet langer aan de eisen van thermisch beheer, wat de weg vrijmaakt voor innovatieve oplossingen zoals kokende stroming in microkanalen en microgaps. Met name in toepassingen zoals miniatuurkoelsystemen en de warmtehuishouding van brandstofcellen blijkt kokende stroming in microstructuren veelbelovend te zijn, maar de meest kritieke toepassing blijft de koeling van high-performance elektronica. In dit domein wordt het gedrag van tweefasige stroming binnen microgaps steeds intensiever bestudeerd.
De warmteoverdrachtscoëfficiënt bij kokende stroming neemt toe naarmate de karakteristieke afmetingen van het kanaal of de spleet afnemen. Experimentele gegevens bevestigen dat warmteoverdrachtsversterking ook bereikt kan worden via microporeuze oppervlakken of door het gebruik van emulsies – mengsels van twee niet-mengbare vloeistoffen. Tot op heden zijn deze technieken slechts beperkt toegepast op microschaal en zijn studies met emulsies bijna uitsluitend gericht op poolboiling. De systematische toepassing van stromingskokende emulsies in microgaps met gladde of microporeuze oppervlakken opent een nieuw pad voor ontwerpgerichte warmteregeling.
In experimentele opstellingen wordt gewerkt met gecontroleerde parameters zoals massaflux, instroomtemperatuur, wandtemperatuur en concentratie van de gedispergeerde fase. De opstelling omvat een recirculatielus met twee PID-gestuurde verwarmingssystemen die het temperatuurprofiel van de emulsie nauwkeurig beheersen. Deze emulsie, een mengsel van gedeïoniseerd water en het fluïdum FC-72, wordt geproduceerd zonder gebruik van een surfactant. FC-72 is een chemisch stabiele, diëlektrische vloeistof met een verzadigingstemperatuur van 56 °C bij atmosferische druk, wat het bijzonder geschikt maakt voor gebruik in elektronische koeling.
De emulsie wordt bereid via een speciale voorbereidingslus waarin het mengsel door een terugslagklep wordt geleid. Deze hydrodynamische verstoring zorgt ervoor dat FC-72 zich splitst in fijne druppels met een gemiddelde diameter van 10,7 μm en een standaarddeviatie van 4,4 μm. Opmerkelijk is dat de druppelgrootte onafhankelijk blijft van de duur van het mengproces – een indicatie van stabiliteit en reproduceerbaarheid van de emulsie.
De testsectie waarin de stromingskoken plaatsvindt is zorgvuldig ontworpen om volledig ontwikkeld laminair stromingsgedrag te garanderen voor alle experimenten. De combinatie van lage massaflux (tot 550 kg/m²s) en beperkte hydraulische diameters (tot 1000 μm) maakt het mogelijk om zeer gecontroleerde tweefasige stroming te analyseren. Het verwarmde deel van het systeem gebruikt constante warmtestroom, opgewekt door vier Al-Ni weerstanden, ingebed in een Garolite™G-102 structuur, met een koperen substraat als warmteoverdrachtsoppervlak. Thermokoppels in het koper meten lokaal de wandtemperaturen, essentieel voor het bepalen van de warmteoverdrachtscoëfficiënt.
Microporeuze oppervlakken worden gecreëerd door het opbrengen van een suspensie van koperen poeder, MEK en polymeren op het koperen substraat. Tijdens het ovenbrazeerproces verdampen de vluchtige componenten, waardoor een poreuze koperen structuur achterblijft die de warmteoverdracht via nucleate boiling kan bevorderen. De microporiën vergroten het aantal actieve nucleatieplaatsen en verbeteren de interactie tussen vloeistof en verwarmd oppervlak.
Bij het vergelijken van water en emulsies als werkvloeistof in deze microstructuren blijken significante verschillen in warmteoverdrachtsgedrag. Emulsies genereren extra nucleatiepunten door de aanwezigheid van de lage-kookpuntdruppels, die lokaal verdampen en zo een impuls geven aan de tweefasige warmteoverdracht. Tegelijkertijd introduceert deze methode ook extra complexiteit in stromingsdynamica, zoals de interactie tussen druppels, mogelijke coalescentie en herverdeling van fasen.
Belangrijk bij deze experimenten is ook het ontwerp van de in- en uitlaatmanifolds, aangezien deze een niet te verwaarlozen invloed uitoefenen op stromingsverdeling en warmteoverdracht. Door een lange instroomlengte en een verlengde uitstroomzone toe te passen, worden randinvloeden en drukverstoringen geminimaliseerd. Dit verhoogt de betrouwbaarheid en overdraagbaarheid van de meetgegevens naar toekomstige ontwerpmodellen.
Voor een volledig begrip van warmteoverdracht bij stromingskoken in microgaps is een brede experimentele databasis onontbeerlijk. Enkel op basis van consistente en gedetailleerde metingen kan men fundamentele correlaties afleiden die toepasbaar zijn in ontwerpomgevingen. Dit vraagt om rigoureuze experimentele aanpak, systematische variatie van parameters en aandacht voor schaalvergroting naar praktische toepassingen.
Naast het ontwikkelen van geschikte experimentele protocollen is het noodzakelijk dat ontwerpers van thermische systemen zich bewust zijn van de synergie tussen oppervlaktestructuur en vloeistofsamenstelling. Alleen door een geïntegreerde benadering – waarin materiaalkunde, vloeistofdynamica en thermodynamica samenkomen – kunnen optimalisaties worden gerealiseerd die zowel efficiënt als schaalbaar zijn.
De toekomst van elektronische koeling ligt waarschijnlijk in deze grenszone tussen microstructuurengineering en stromingscontrole, waar emulsies en microporiën een sleutelrol spelen. Het is essentieel dat verder onderzoek zich niet enkel richt op fundamentele mechanismen, maar ook op de robuustheid, reproduceerbaarheid en economische haalbaarheid van deze technieken op industriële schaal.