Structural and flow relationship of microfluidics pulsating high and low frequency jets

Abstract

Synthetic jets are being investigated last several years. Researchers have been interested in its unique applications for a wide range of flow control to thermal management of electronics applications. Synthetic jets are made up of actuators such as piezoelectric, magnetic, or linear piston technology etc. Piezoelectric synthetic jets are investigated and found relationship between its structural and flow parameter like deflection, frequency and resonance with velocity and heat transfer enhancement. In order to find a relationship some numerical and experimental techniques are being used. For experimental result and fully-automated experimental setup made using high end equipment like Laser Vibrometer, Hotwire anemometer and 3D robot. Four different type of measurement were made on synthetic jet actuators deflection, heat transfer, velocity measurements and power consumption. The heat transfer enhancement factor of each of these jets with respect to natural convection is measured over a 25.4x25.4 (mm) vertical heater. Finally, power consumption of the low and high frequency synthetic jets were measured and compared. It is found that disk deflection and operating frequency are directly related to heat transfer enhancement factor, if the Helmholtz frequency of a cavity has no effect on the performance of a jet. For numerical analysis commercially available software are used like Ansys and Comsol. Eigen frequency and transient deflection is modeled using Comsol 4.0 and different mode shapes and deflection measurements using PZD module of Comsol. A 3-D computational fluid dynamics model was constructed using Ansys CFX to determine the flow and temperature fields of a meso-scale central orifice synthetic jet at a nozzle-to-target surface spacing of y/d = 2, ReDj = 1400 and f = 500 Hz. Unlike the majority of previous computational studies, rather than specifying the boundary conditions at the nozzle, the flow inside the synthetic jet device was solved by specifying the time dependent boundary conditions on the vibrating diaphragm and utilizing the moving mesh technique. Local surface pressure and heat transfer coefficient distributions were determined and discussed. It was found that the pulsating flow at the nozzle exit for a round jet generates vortex rings and these rings seem to have some considerable effects on the target surface profiles. Finally figure out the design parameters for Synthetic jet actuator for the optimum performance.

Son zamanlarda sentetik jetlerin uygulanması üzerine araştırmalar yapılmaktadır. Sentetik jetlerin kendilerine özel sağladıkları geniş akış kontrolü ile elektroniklerde termal performansın artırılması konusunda araştırmacıların ilgisini çekmektedir. Sentetik jetler basit olarak piezo elektrik yada magnet gibi tetikleyiciler ile yapılmaktadır. Geliştirilen piezo elektrik sentetik jetler için yapısal ve akış parametreleri (bükülme, frekans, akış hızına göre rezonans, ve ısı atımında performans artışı gibi) arasında bir ilişki elde edilmiştir. Özellikle ısı atımında performans artışı hedeflenen sentetik jetlerde ki bu etkin parametreler arasındaki ilişkinin en doğru şekilde kurgulanabilmesi için sayısal ve deneysel methodlar kullanılmıştır. Deneysel methodların uygunlanması için lazer titreşim cihazı, sıcak kablo ile hız ölçer ve 3 boyutlu robot gibi üst düzey cihazlar eşliğinde deneysel sistem kurulmuştur. Sentetik jetlerde bükülme, ısı atımı, akış hız ölçümü ve enerji tüketimi olmak üzere dört tür hesaplama yapılmıştır. Yapılan jetlerin ısı atım performans faktörü, daha önceden kayıpları hesaplanmış olan 25.4x25.4 (mm)'lik dikey bir ısıtıcı yüzeyinden hesaplanmıştır. Son olarakta , düşük ve yüksek frekansta çalıştırılan jetlerin enerji tüketimleri hesaplanmış ve kıyaslanmıştır. Sayısal method Ansys ve Comsol programları ile yapılmıştır. Zamana bağımlı bükülme testleri Comsol da yapılırken, 3 boyutlu akış ve termal dağılım simülasyonları ( Jet nozulu ile ısıtıcı yüzeye arası başluk oranı y/d = 2, ReDj = 1400 ve f = 500 Hz için) Ansys CFX'te yapılmıştır. Bölgesel basınç ve ısı atım katsayısı elde edilmiş ve titreşimli akışların (pulsating flow) jet nozul çıkışında vorteks halkası oluşturduğu ve bu vorteksin önemsenecek boyutta sonuca etkisi gözlemlenmiştir. Sonuç olarak bir sentetik jet tetikleyicisinin performans sağlayabileceği dizayn parametreleri ortaya çıkartılmıştır.