Análise numérica do escoamento monofásico em dissipadores de calor microaletados de nanocompósito de PDMS
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Data
2023-12-15
Autores
Orientador
Cardoso, Elaine Maria 
Coorientador
Morsch Filho, Edemar
Pós-graduação
Curso de graduação
São João da Boa Vista - FESJBV - Engenharia Aeronáutica
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Trabalho de conclusão de curso
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (inglês)
Compact heat exchangers associated with high-performance refrigerant fluids allow for
the thermal management of aircraft electronic components that demand high operating
power, such as location and direction avionics, due to the high heat dissipation rate in
confined volumes. In the current work, a numerical study was proposed on single-phase
flow in micro-pin fin compact heat sinks, aiming to analyze the heat transfer coefficient
and pressure drop using a conventional fluid (water) and two different materials for the
heat exchanger. The first material uses pure polydimethylsiloxane (PDMS), and the
second uses PDMS with boron nitride nanoparticles with a concentration, in mass, of
20% in its composition. Different arrangements of micro-pin fins were considered —
aligned and staggered — both with diamond-shaped fins. PDMS is a low-cost,
transparent, and versatile material that allows the incorporation of materials with high
thermal properties (for increasing the composite conductivity). Another characteristic of
PDMS is its ability to mold to a specific surface, thereby increasing the physical contact
between the heat exchanger and the device to be cooled. The numerical study was
developed using the ANSYS Fluent R2 software, and the numerically obtained results
were compared with experimental data, showing satisfactory agreement with them.
Furthermore, it was shown that adding boron nitride nanoparticles to the PDMS matrix
can increase the polymeric matrix's thermal conductivity, improving heat transfer and
reducing the surface temperature. Likewise, micro-pin fins in a staggered arrangement
have better thermo-hydraulic performance than the aligned arrangement.
Resumo (português)
A utilização de trocadores de calor compactos associados a fluidos refrigerantes de
alto desempenho permite o gerenciamento térmico de componentes eletrônicos de
aeronaves que demandam alta potência de operação, como os aviônicos de localização e
direção, devido à alta taxa de dissipação de calor em volumes reduzidos. Neste projeto
foi proposto um estudo numérico sobre o escoamento monofásico em dissipadores de
calor compactos microaletados, com o objetivo de analisar o coeficiente de transferência
de calor e a queda de pressão com o uso de um fluido convencional (água) e dois
materiais diferentes para o trocador de calor, o primeiro utilizando polidimetilsiloxano
(PDMS) puro e o segundo utilizando PDMS com a inserção de nanopartículas de nitreto
de boro com concentração, em massa, de 20%. Diferentes arranjos de microaletas foram
considerados — alinhado e escalonado — sendo ambos os arranjos com aletas no
formato diamante. O PDMS é um material de baixo custo, transparente e versátil que
permite a incorporação de materiais com elevadas propriedades térmicas (para fins de
aumento da condutividade do compósito). Outra característica do PDMS é a sua
capacidade de se moldar a uma superfície específica e com isso aumentar o contato
físico entre o trocador de calor e o dispositivo a ser arrefecido. O estudo numérico foi
desenvolvido no software ANSYS Fluent R2 e os resultados obtidos numericamente
foram comparados com dados experimentais, mostrando concordância satisfatória com
os mesmos. Ademais, mostrou-se que a adição de nanopartículas de nitreto de boro à
matriz de PDMS é capaz de aumentar a condutividade térmica da matriz polimérica,
melhorando a transferência de calor e reduzindo a temperatura da superfície. Da mesma
forma, microaletas em arranjo escalonado possuem um melhor desempenho termohidráulico comparado ao arranjo alinhado.
Descrição
Idioma
Português
Como citar
SILVEIRA, L. A. Análise numérica do escoamento monofásico em dissipadores de calor microaletados de nanocompósito de PDMS. 2023. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Aeronáutica) — Faculdade de Engenharia, Universidade Estadual Paulista "Júlio de Mesquita Filho", São João da Boa Vista, 2023.