Natural convection arising from a heat generating substrate-mounted protrusion in a liquid-filled two-dimensional enclosureConvection naturelle autour d'une protuberance montee sur substrat et generatrice de chaleur dans une cavite bidimensionnelle emplie de liquideNatürliche konvektion an einem wärmeerzeugenden vorsprung in einem flüssigkeitsgefüllten zweidimensionalen hohlraumEcтEcтвEннaя кoнвEкция oт выcтuпauoщEгo иcтoчникa тEплa, ucтaнoвлEннoгo нa пoдлoзкE в зaпoлнEннo\̆qi зидкocтяu двuMEpнo\̆qi пoлocти

https://doi.org/10.1016/0017-9310(91)90224-3Get rights and content

Abstract

An investigation of natural convection flow and heat transfer arising from a substrate-mounted protruding heat source immersed in a liquid-filled square enclosure is reported. The model considers heat transfer within the protrusion and substrate and the coupled natural convection in the fluid. Numerical predictions are obtained for a wide range of appropriate Rayleigh and Prandtl numbers and substrate to fluid thermal conductivity ratios that may be encountered in liquid-immersion cooling of electronic components. For many situations of interest prescribing simplistic heat transfer conditions at the solid surfaces is found inappropriate. Increasing the Rayleigh number beyond 106 and the substrate thermal conductivity beyond 100 times that of the liquid produces only a marginal decrease in the maximum temperatures. Computed protrusion surface temperatures compare favorably with available experimental results for a similar configuration.

Résumé

On étudie l'écoulement et le transfert thermique de convection naturelle autour d'une source de chaleur protubérante montée sur substrat et immergée dans un liquide à l'intérieur d'une cavité. Le modèle considère le transfert thermique dans la protubérance et le substrat ainsi que la convection naturelle couplée dans le fluide. Des prédictions numériques sont obtenues pour un large domaine de nombres de Rayleigh et de Prandtl et de rapports des conductivités thermiques du substrat et du fluide qui peuvent être rencontrés dans le refroidissement par immersion des composants électroniques. Beaucoup de situations réelles prescrites par des conditions thermiques simplistes à la surface solide sont trouvées inappropriées. L'accroissement du nombre de Rayleigh au delà de 106 et de la conductivité thermique du substrat au delà de 100 fois celle du liquide produit seulement une décroissance marginale des températures maximales. Les températures calculées de la surface de la protubérance se comparent favorablement aux valeurs expérimentales pour une configuration semblable.

Zusammenfassung

Strömung und Wärmeübergang bei natürlicher Konvektion an einem wärmeerzeugenden Vorsprung in einem flüssigkeitsgefüllten quadratischen Hohlraum werden untersucht. Das Modell berücksichtigt den Wärmetransport innerhalb des Vorsprungs und des darunterliegenden Substrats sowie bei der gekoppelten natürlichen Konvektion im Fluid. Für einen weiten Bereich von Rayleigh- und Prandtl-Zahlen sowie von Verhältnissen der Wärmeleitfähigkeit des Substrats zu derjenigen der Flüssigkeit—wie sie zum Beispiel bei Flüssigkeitskühlung elektronischer Bauelemente vorkommen—werden numerische Berechnungen ausgeführt. Für viele praktisch interessierende Situationen ist die Annahme der üblichen einfachen Randbedingungen für den Wärmeübergang an festen Oberflächen ungenügend. Eine Vergrößerung der Rayleigh-Zahl über 106 und der Wärmeleitfähigkeit des Substrats über das Hundertfache der Flüssigkeit führt nur zu einer geringfügigen Verringerung der maximalen Temperaturen. Die berechneten Temperaturen des Vorsprungs stimmen recht gut mit verfügbaren Versuchsergebnissen für ähnliche Konfigurationen überein.

Реферат

ИccлEдuютcя EcтEcтвEннoкoнвEктивнoE тEчEниE и тEплoпEpEнoc oт ucтaнoвлEннoгo нa пoдлoжкE выcтuпaющEгo иcтoчникa тEплa, пoгpuжEннoгo в зaпoлнEннuю жидкocтью квaдpaтнuю пoИocть. MoдEль oпиcывaEт тEплoпEpEнoc в выcтuпE и пoдлoжкE, a тaжE взaиMocвязaннuю EcтEcтвEннuю кoнвEкцию в жидкocти. ПoлuчEны чиcлEнныE pEзuльтaты для шиpoкoгo диaпaзoнa чиcEл pэлEя и Пpaндтля, a тaкжE знaчEни\̆qi. oтнoщEния кoэффициEнтoв тEплoпpoвoднocти пoдлoжкн и жидкocти, кoтopыE Moгuт вcтpEчaтьcя пpи oчлaждEнии элEктpoнныч uзлoв пocpEдcтвoM пoгpuжEния в жидкocть. uвEличEниE чиcлa pэлEя cвышE 106 и кoэффициEнтa тEплoпpoвoднocти пoдлжки бoлEE, чEM в 100 paз пo cpaвнEнню c жидкocтью пpивoдит лишь к нEзнaчитEльнoMu cнижEнию MaкcиMaльныч тEMпEpaтup. pacчEтныE знaчEния тEMпEpaтupы пoвEpчнocти выcтuпa uдoвлEтвopитEльнo coглacuютcя c иMEющиMиcя экcпEpиMEнтaльныMи paзuльтaтaMи для aнaлoгичнoи кoнфигupaции.

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